叶片脱落超转保护概率设计方法研究

针对航空发动机传统的超转保护设计未考虑材料、载荷和制造公差分散性的问题,本文提出了一种基于概率的叶片脱落超转保护设计方法,建立了一种基于响应面法的叶片脱落超转保护设计概率模型,并给出了具体算法,采用多项式拟合叶片脱落超转保护设计极限状态函数,利用Monte Carlo方法获取了轮盘破裂转速分布和叶片脱落转速分布。运用概率设计方法对某发动机涡轮转子进行叶片脱落超转保护设计,结果表明:与传统方法相比,基于叶片脱落超转保护设计概率模型设计的轮盘破裂转速均值降低了约5.4%,轮盘质量减轻了约7.2%。

基于叶片伸根预先断裂方式的某型发动机动力涡轮超转保护设计

为消除发动机非包容影响,开展动力涡轮超转保护研究。本文以某型发动机为研究对象,对伸根断裂方案中各零部件的设计思路和优化方向进行了相关介绍,重点分析了叶片、轮盘及机匣包容性的优化设计。设计了模拟试验件,通过计算分析,对叶片的断裂位置及转速进行验证,为后续改进设计提供参考。

基于试验设计和响应面法的涡轮盘形状优化

采用Ansys Workbench平台对某涡轮盘进行了形状优化设计,结果表明轮盘应力显著降低的同时其重量也得到减轻。本研究亦表明:集成几何建模、应力分析和优化模块的Ansys Workbench平台可显著降低优化设计工作的难度;采用试验设计和响应面法的组合代理模型精度可满足工程需要;基于试验设计、响应面法和多目标遗传算法的组合优化策略可大幅度提升优化效率。

镍基合金K438高温弹塑性变形行为与本构模型研究

针对涡轴发动机动力涡轮叶片复杂应力状态下的变形失效问题,以涡轮叶片材料K438为研究对象,开展了高温下光滑和缺口特征件准静态拉伸试验。结合试验结果分析了叶片材料在复杂应力状态下的变形行为和断裂特征,构建了叶片材料本构模型和损伤断裂模型,并验证了模型的有效性和适用性。同时还探讨了温度、应力集中系数、试样截面几何形状对K438材料屈服行为及抗拉强度的影响。研究结果为K438材料的选用及相关结构件设计与应用提供了理论依据。

某型涡轴发动机轮盘三维裂纹扩展研究

为了解某涡轴发动机轮盘疲劳试验提前失效原因,采用损伤容限设计方法和Franc3D裂纹分析软件对轮盘开展了三维裂纹扩展分析,发现裂纹扩展寿命小于疲劳试验检查间隔,损伤容限设计不满足要求是导致轮盘破裂的主要因素,对损伤容限设计在工程中的应用有一定指导意义。

叶根倒角模拟件设计

为了避免涡轮叶片叶根倒角低周疲劳开裂故障的发生,需借助叶根倒角特征模拟件对叶根低周疲劳强度进行考核。基于几何等效相似和载荷工况等效原则,设计了一种真实叶根倒角的特征模拟件。特征模拟件的榫头/叶身沿着周向投影宽度比例、缘板外侧与榫头外侧距离、缘板厚度、倒角半径等重要几何参数均与真实叶片一致。基于线弹性本构,采用Abaqus软件计算了特征模拟件在等效载荷工况下的应力分布。计算结果表明,特征模拟件的最大应力为187.6 MPa,出现在凸台过渡区倒角处,最危险点第一主应力方向为l_(1)=0.1141、m_(1)=0.9873、n_(1)=-0.1103,均与真实叶片对应部位的应力情况吻合,说明该叶根倒角特征模拟件设计合理,可用于考核真实涡轮叶片倒角的低周疲劳强度。

某航空发动机导流盘残余变形分析

首先用ANSYS软件对试样的力学性能曲线进行了弹塑性分析以验证分析方法,结果表明工程应力应变曲线仅适用于试样尺寸变化较小的小应变情况,真实应力应变曲线不同于工程应力应变曲线可应用于有限变形情况下,对于延性金属材料测试给出的真实应力应变曲线明显区别于工程应力应变曲线;然后采用材料真实应力应变曲线及随动强化准则对导流盘进行了弹塑性分析,并与试验结果进行了对比,结果吻合比较好。可以为后续改进设计及超转破裂试验设计提供依据。

基于遗传算法的榫槽部位模拟件设计方法

航空发动机构件的模拟件设计方法已成为工程领域研究的重要内容。设计出能反映实际构件真实服役状态的模拟件,可节约试验成本和周期,对构件有效地完成试验考核具有重要意义。针对航空发动机榫槽部位应力分布情况,将遗传优化算法与商用有限元软件ABAQUS相结合,提出航空发动机榫头/榫槽特征部位模拟件设计方法。利用该方法实现自动搜索榫头/榫槽特征部位处第1主应力最大梯度路径,并获取该路径上的应力分布。结果表明:该方法设计的模拟件最危险点的应力状态与零部件特征部位处的应力状态保持一致,二者在最危险点附近一定区域内应力梯度相同;所设计的模拟件与零部件的应力状态吻合较好,可以模拟任意情形下的应力及应力梯度。

基于有限元法的发动机二级从动齿轮疲劳裂纹故障分析研究

为研究涡桨发动机减速器齿轮传动组件的疲劳失效机理,以提高其工作可靠性及使用寿命,开展减速器桨轴组件的高低周复合疲劳试验。结果显示,二级从动齿轮陪试件卡槽处出现沿齿轮轴子午面扩展的疲劳裂纹。为了进一步明确疲劳裂纹产生的机理,建立桨轴组件三维有限元模型,利用有限元软件Ansys对试验条件下二级从动齿轮陪试件进行应力计算,根据计算结果分析影响陪试件卡槽应力状态的各个因素及其影响规律。结果表明:装配过盈量和卡槽倒圆尺寸是造成陪试件卡槽应力过大的主要因素。最后基于数值模拟分析结果提出改进措施,为故障排除提供有力依据。

基于试验设计及支持向量机的向心叶轮结构优化设计方法

针对向心叶轮结构优化设计耗时长的难点,研究并采用了2类关键技术:其一是利用试验设计技术从大量的轮盘结构尺寸中挑选出重要尺寸作为优化设计变量,以减小优化问题规模;其二是利用支持向量机技术建立向心叶轮强度及振动分析的代理模型,以缩短分析时间.在以上研究工作的基础上建立了1种快速高效的向心叶轮结构优化设计方法.随后的1个算例表明:优化后的叶轮寿命提高4倍,优化设计时间为传统方法的1/27,具有良好的工程应用前景.