航空发动机宽弦风扇叶片结构优化设计研究
发布时间：2021-10-16 21:06
宽弦空心风扇叶片作为航空发动机的首级叶片,为发动机提供大部分的推力,具有效率高、重量轻、抗外物损伤能力强等优点,广泛应用于高性能涡扇发动机中。宽弦风扇叶片结构复杂,对其结构进行优化设计的探索研究具有重要意义和价值。本文主要针对超塑成形/扩散连接（SPF/DB）组合成形工艺下的二/三层结构宽弦空心风扇叶片进行结构设计研究,探索二/三层结构空心叶片的结构优化设计方法,并以此为基础,开发风扇叶片的结构设计及优化设计平台。具体内容如下:首先,运用UG二次开发技术C/C++程序设计语言,在UG环境中,分别对SPF/DB工艺下的二/三层结构空心风扇叶片进行了参数化建模,使其能够在输入尺寸参数后快速生成叶片模型,并基于UI Styler及MenuScript模块开发交互式界面设计平台,以方便设计人员对其进行结构设计,提高设计效率,并为有限元分析和结构优化设计奠定基础。其次,运用上述相关技术,开发了二/三层结构空心风扇叶片强度分析平台,使之能够自动完成有限元网格划分、边界条件及载荷施加、求解计算,且为了验算优化后的结构振动特性并在此增加了振动特性分析功能。运用该平台提供求解方案,分别对相同边界条件及载...
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：100 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
带凸肩叶片及
华侨大学硕士学位论文4（3）叶片成形后降温冷却，数控加工叶根、叶型边缘以及叶片表面化铣处理，最终得到成品。三层板扩散连接/超塑成形的工艺过程如图1.4所示。（a）SPF/DB工艺下叶片内腔结构（b）宽弦空心风扇叶片图1.3宽弦空心风扇叶片及内腔结构示意图图1.4三层结构空心风扇叶片成形工艺同期，普惠公司基于超塑成形/扩散连接制造工艺技术，采用叶盆侧和叶背侧二层钛合金面板，研制出虚实相间的无芯式结构内腔宽弦空心风扇叶片，并成功运用于PW4084型发动机上，使其叶片数量减少，提升了发动机性能[17]。内腔结构如图1.3（a）所示。其工艺过程为：（1）机械加工铣削两半对称的扁平叶身，并放入模具内。（2）放入真空炉中施加高温高压，得到扩散焊质量均匀无缺陷的叶片毛坯，同时在超塑成形状态，吹入氩气使叶片完全贴模成形。（3）降温冷却，数控加工叶根、叶型边缘以及表面化铣处理。二层板结构叶片扩散连接/超塑成形的工艺过程如图1.5所示。
第1章引言5图1.5二层结构空心风扇叶片成形工艺自上个世纪以来，我国对高性能涡扇发动机研制的迫切需求，已对宽弦空心风扇叶片结构设计及研制方面进行了相关探索和研究，并取得了较大的进展。1999年，国内科研人员借助叶身“扩散连接+热扭转+超塑成形”的热循环工艺路线，成功研制出钛合金三层结构超塑成形/扩散连接（SPF/DB）宽弦空心风扇叶片模拟件[18]，并进行了相关验证。伴随着数值仿真技术的发展，国内科研人员编写的叶片结构优化软件，已经能够进行叶片结构设计的自动寻优[19][20]。但是对于大涵道比涡扇发动机研制方面，我国与英国罗·罗公司、美国通用公司和普惠公司存在较大差距。在宽弦空心风扇叶片的结构设计、工艺制造及仿真模拟等方面一直存在不足，且国外一直对我国航空等高科技领域实施非常严厉的技术封锁，现今中美贸易战这一现象尤为严重。因此，探索航空发动机宽弦空心风扇叶片结构优化技术，拉近与当前先进发动机的设计水平，自主研制宽弦空心风扇叶片是当务之急。1.2.2风扇叶片结构设计及分析研究动态风扇叶片作为涡扇发动机主要动力来源部件，每一次技术变革，都会给航空发动机带来巨大的突破。其结构形式对发动机性能参数，如涵道比、推力、以及增压比等有着至关重要的影响。因此为了进一步提升发动机性能、减轻叶片质量、增加叶片强度、刚度等，国内外学者对风扇叶片进行了一系列的探索。国外学者OgawaA与SofueY等人早期针对二层结构宽弦空心风扇叶片进行了系统的结构力学性能分析，指出离心载荷和气动压力的作用下，空心结构的风扇叶片会降低叶片的质量、抗弯刚度和抗扭刚度，提升了剪切应力；其加强筋板对扭转刚度的影响较小，但对应力的影响很大；弯曲变形下，叶片内部
【参考文献】：
期刊论文
[1]钛合金宽弦风扇叶片的振动特性[J]. 王仲林,陈勇,欧阳华,王安正. 航空动力学报. 2018(11)
[2]考虑鸟撞的航空发动机叶片动态拓扑优化设计[J]. 吴一帆,郑百林,杨彪. 航空动力学报. 2018(08)
[3]兼顾两种模式核心机驱动风扇级气动优化设计[J]. 曹晖,周正贵,胡骏,彭国峰,屠宝锋. 航空动力学报. 2018(03)
[4]航空发动机风扇叶片伸根段造型设计与优化[J]. 任远,张成成,高靖云,李颖. 航空动力学报. 2017(12)
[5]跨声速风扇转子的优化设计[J]. 孙昊玥,周正贵,张毅. 机械制造. 2017(06)
[6]大涵道比风扇叶片气动优化设计[J]. 张金环,周正贵,周旭. 航空动力学报. 2017(01)
[7]遄达XWB发动机发展与设计特点[J]. 陈光. 航空发动机. 2015(04)
[8]航空涡轮发动机现状及未来发展综述[J]. 焦华宾,莫松. 航空制造技术. 2015(12)
[9]基于坐标关联法的榫连接结构优化设计[J]. 郝艳华,黄致建. 航空动力学报. 2014(11)
[10]商用大涵道比发动机复合材料风扇叶片应用现状与展望[J]. 刘强,赵龙,黄峰. 航空制造技术. 2014(15)
博士论文
[1]民用航空发动机风扇叶片适航符合性设计与验证方法研究[D]. 曾海军.南京航空航天大学 2015
硕士论文
[1]SPF/DB宽弦空心叶片单元件弯曲疲劳性能研究[D]. 李百洋.南京航空航天大学 2018
[2]宽弦空心风扇叶片超塑成形/扩散连接工艺研究[D]. 吴心晨.南京航空航天大学 2015
[3]空心风扇叶片桁架式夹芯结构件疲劳特性研究[D]. 孙青平.南京航空航天大学 2014
[4]宽弦空心风扇叶片超塑成形的数值仿真研究[D]. 高庆峰.南京航空航天大学 2008
[5]宽弦空心风扇叶片结构设计及强度分析研究[D]. 刚铁.南京航空航天大学 2005
本文编号：3440494
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：100 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
带凸肩叶片及
华侨大学硕士学位论文4（3）叶片成形后降温冷却，数控加工叶根、叶型边缘以及叶片表面化铣处理，最终得到成品。三层板扩散连接/超塑成形的工艺过程如图1.4所示。（a）SPF/DB工艺下叶片内腔结构（b）宽弦空心风扇叶片图1.3宽弦空心风扇叶片及内腔结构示意图图1.4三层结构空心风扇叶片成形工艺同期，普惠公司基于超塑成形/扩散连接制造工艺技术，采用叶盆侧和叶背侧二层钛合金面板，研制出虚实相间的无芯式结构内腔宽弦空心风扇叶片，并成功运用于PW4084型发动机上，使其叶片数量减少，提升了发动机性能[17]。内腔结构如图1.3（a）所示。其工艺过程为：（1）机械加工铣削两半对称的扁平叶身，并放入模具内。（2）放入真空炉中施加高温高压，得到扩散焊质量均匀无缺陷的叶片毛坯，同时在超塑成形状态，吹入氩气使叶片完全贴模成形。（3）降温冷却，数控加工叶根、叶型边缘以及表面化铣处理。二层板结构叶片扩散连接/超塑成形的工艺过程如图1.5所示。
第1章引言5图1.5二层结构空心风扇叶片成形工艺自上个世纪以来，我国对高性能涡扇发动机研制的迫切需求，已对宽弦空心风扇叶片结构设计及研制方面进行了相关探索和研究，并取得了较大的进展。1999年，国内科研人员借助叶身“扩散连接+热扭转+超塑成形”的热循环工艺路线，成功研制出钛合金三层结构超塑成形/扩散连接（SPF/DB）宽弦空心风扇叶片模拟件[18]，并进行了相关验证。伴随着数值仿真技术的发展，国内科研人员编写的叶片结构优化软件，已经能够进行叶片结构设计的自动寻优[19][20]。但是对于大涵道比涡扇发动机研制方面，我国与英国罗·罗公司、美国通用公司和普惠公司存在较大差距。在宽弦空心风扇叶片的结构设计、工艺制造及仿真模拟等方面一直存在不足，且国外一直对我国航空等高科技领域实施非常严厉的技术封锁，现今中美贸易战这一现象尤为严重。因此，探索航空发动机宽弦空心风扇叶片结构优化技术，拉近与当前先进发动机的设计水平，自主研制宽弦空心风扇叶片是当务之急。1.2.2风扇叶片结构设计及分析研究动态风扇叶片作为涡扇发动机主要动力来源部件，每一次技术变革，都会给航空发动机带来巨大的突破。其结构形式对发动机性能参数，如涵道比、推力、以及增压比等有着至关重要的影响。因此为了进一步提升发动机性能、减轻叶片质量、增加叶片强度、刚度等，国内外学者对风扇叶片进行了一系列的探索。国外学者OgawaA与SofueY等人早期针对二层结构宽弦空心风扇叶片进行了系统的结构力学性能分析，指出离心载荷和气动压力的作用下，空心结构的风扇叶片会降低叶片的质量、抗弯刚度和抗扭刚度，提升了剪切应力；其加强筋板对扭转刚度的影响较小，但对应力的影响很大；弯曲变形下，叶片内部
【参考文献】：
期刊论文
[1]钛合金宽弦风扇叶片的振动特性[J]. 王仲林,陈勇,欧阳华,王安正. 航空动力学报. 2018(11)
[2]考虑鸟撞的航空发动机叶片动态拓扑优化设计[J]. 吴一帆,郑百林,杨彪. 航空动力学报. 2018(08)
[3]兼顾两种模式核心机驱动风扇级气动优化设计[J]. 曹晖,周正贵,胡骏,彭国峰,屠宝锋. 航空动力学报. 2018(03)
[4]航空发动机风扇叶片伸根段造型设计与优化[J]. 任远,张成成,高靖云,李颖. 航空动力学报. 2017(12)
[5]跨声速风扇转子的优化设计[J]. 孙昊玥,周正贵,张毅. 机械制造. 2017(06)
[6]大涵道比风扇叶片气动优化设计[J]. 张金环,周正贵,周旭. 航空动力学报. 2017(01)
[7]遄达XWB发动机发展与设计特点[J]. 陈光. 航空发动机. 2015(04)
[8]航空涡轮发动机现状及未来发展综述[J]. 焦华宾,莫松. 航空制造技术. 2015(12)
[9]基于坐标关联法的榫连接结构优化设计[J]. 郝艳华,黄致建. 航空动力学报. 2014(11)
[10]商用大涵道比发动机复合材料风扇叶片应用现状与展望[J]. 刘强,赵龙,黄峰. 航空制造技术. 2014(15)
博士论文
[1]民用航空发动机风扇叶片适航符合性设计与验证方法研究[D]. 曾海军.南京航空航天大学 2015
硕士论文
[1]SPF/DB宽弦空心叶片单元件弯曲疲劳性能研究[D]. 李百洋.南京航空航天大学 2018
[2]宽弦空心风扇叶片超塑成形/扩散连接工艺研究[D]. 吴心晨.南京航空航天大学 2015
[3]空心风扇叶片桁架式夹芯结构件疲劳特性研究[D]. 孙青平.南京航空航天大学 2014
[4]宽弦空心风扇叶片超塑成形的数值仿真研究[D]. 高庆峰.南京航空航天大学 2008
[5]宽弦空心风扇叶片结构设计及强度分析研究[D]. 刚铁.南京航空航天大学 2005
本文编号：3440494
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