航空发动机开口格栅加筋机匣结构轻量化设计

发布时间：2020-08-08 11:58

【摘要】：航空发动机对航空飞行器的性能有着直接的影响,重量要求是针对航空发动机研发提出的一项基本要求,降低重量能够显著提高发动机的推重比,有益于飞机的性能、经济性、环保性。机匣作为航空发动机的骨架,连接着燃烧室、油路、排气管道、冷却管道等部件,是发动机中常见的薄壁加筋结构。对机匣结构进行轻量化设计,是提高发动机推重比的有效途径之一。然而,由于设备安装、管线铺设、散热等需求,开口经常出现在机匣结构中,这些开口的存在严重影响了结构的刚度和强度,且机匣结构几何形状复杂,多为空间异形曲面,曲面上还有复杂的格栅加筋,这些都极大地增加了开口机匣优化设计的难度。因此,开展面向航空发动机开口格栅加筋机匣结构的优化设计研究十分必要。本文针对开口的航空发动机机匣结构建立了优化设计框架,并基于此框架获得了机匣结构合理的轻量化设计,对工程实际问题具有实用价值和指导意义。本文主要研究内容如下:(1)针对开口的机匣结构,本文提出了一个尺寸-拓扑协同优化设计方法。航空发动机结构上由于功能性的需求经常需要进行开口,现有的设计方法是先确定最优的全局筋条布局,再在此基础上对开口周围的区域进行布筋优化设计,但是这样的设计方法没有充分考虑全局筋条布局和孔边局部筋条布局对开口结构性能影响的耦合关系。本文采用MATLAB程序,结合尺寸优化和拓扑优化,提出了一个协同优化设计方法,可协同考虑全局筋条布局和孔边局部筋条布局,为工程实际具有一定的指导意义。(2)航空发动机机匣结构尺寸较大且几何复杂,增加了优化求解的计算量和难度。本文采用MATLAB程序,实现了针对开口机匣结构的传统优化方法自动化流程,并对该流程进行了改进,在传统设计方法的全局筋条布局优化求解部分提出了采用非匹配网格对结构进行离散和有限元分析,非匹配网格技术能够在保证计算精度的前提下提升计算效率,大大地节省了计算成本。(3)针对开口机匣,本文分别采用上述两种流程进行了优化设计。在传统优化方法的全局筋条布局优化设计中,为提高有限元分析效率,采用了非匹配网格对结构进行分析;在开口机匣的协同优化设计中,提出了以局部应变能作为孔边拓扑优化问题的优化目标,以进一步提升开口区域的性能。两个算例都在结构性能满足要求的基础上给出了轻量化设计的构型,取得了很好的效果。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V232

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本文编号：2785529