航空发动机风扇动不平衡模拟转子等效设计方法技术

一种航空发动机风扇动不平衡模拟转子等效设计方法。其包括建立实体模型；风扇叶盘分割；风扇叶片等效；风扇轮盘等效；损伤叶片等效；模拟转子建立等步骤。本发明专利技术优点：通过三坐标扫描法得到的数据在三维设计软件中建立风扇叶盘实体模型，可以包含风扇复杂的细节结构，等效时也包含了细节结构的影响，与理论等效法相比，模型还原度高、等效精度高；直接通过三维设计软件得到风扇叶盘、叶片、叶片损伤量的质量、质心、转动惯量等主要的物理特征参数，计算精度高、过程简单，也避免了复杂的理论计算。

【技术实现步骤摘要】
航空发动机风扇动不平衡模拟转子等效设计方法
本专利技术属于航空发动机测试
，特别是涉及一种航空发动机风扇动不平衡模拟转子等效设计方法。
技术介绍
现今大多数客机都采用大涵道比涡扇发动机，飞机在起飞、低空飞行和降落时，由于发动机强大的吸力，位于发动机最前端的风扇易遭受外来物体(例如小鸟或鸟群、砂砾、金属片等)的撞击，造成风扇叶片局部损伤甚至整个叶片的丢失。风扇叶片损伤后将使发动机转子失去平衡，导致发动机振动过大，严重时会破坏发动机或飞机机体结构，造成飞行事故。对风扇不平衡振动的实验研究通常是在保证动力学相似和结构相似的前提下，将风扇结构利用等效法将其等效为圆盘转子结构；风扇损伤后引起的不平衡量，是采用在圆盘转子结构上增加或减少部分质量来模拟动不平衡的情况。等效后圆盘转子需要保证主要的物理参量，如质量、质心、转动惯量等与风扇基本一致。由于风扇的实际结构异常复杂，采用理论等效无法保证结构的一致性；当前方法对于不平衡量的施加是采用试凑法，精度较低，也难于保证所有物理量的一致性；此外，等效后的圆盘转子与发动机风扇之间也难于开展对比验证。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种航空发动机风扇动不平衡模拟转子等效设计方法。为了达到上述目的，本专利技术提供的航空发动机风扇动不平衡模拟转子等效设计方法包括按顺序进行的下列步骤：步骤一：通过三坐标扫描法得到航空发动机风扇叶片和风扇轮盘的轮廓线，然后将轮廓线导入到三维设计软件中进行曲线拟合，建立精确的风扇叶盘实体模型；在三维设计软件中定义风扇叶片和风扇轮盘的材料属性，并根据实际风扇叶片和风扇轮盘的设计参数定义风扇叶盘实体模型的重心位置；根据三维设计软件计算风扇叶盘实体模型的重量，并与实测重量进行对比，如有偏差，在风扇叶盘实体模型中通过调整材料的密度和重心位置进行修正；步骤二：以风扇叶片和风扇轮盘的安装面作为参考面，在三维设计软件中以安装面为切割面将风扇叶盘分割成轮盘和叶环两部分；如果风扇叶片和风扇轮盘是一体结构，利用三维设计软件得到轮盘和叶环的物理特征参数，包括体积、质量和重心；如果风扇叶片和风扇轮盘不是一体结构，风扇叶片被切割后有部分结构保留在风扇轮盘中，风扇轮盘的质量其中ρ1和ρ2分别为风扇轮盘和风扇叶片的密度，V10和分别为风扇轮盘的体积和风扇叶片保留在风扇轮盘中的体积，分割后的轮盘体积步骤三：将分割后的轮盘等效为厚度不变的等效轮盘，需确定等效轮盘的安装孔直径R、等效轮盘外径R1和等效轮盘厚度D；步骤四：将分割后的叶环等效为厚度不变的等效圆环；需确定等效圆环内径R2、圆环外径R3和圆环厚度d；步骤五：计算风扇叶片损伤不平衡量；在三维设计软件中，以风扇叶盘实体模型的重心位置为参考原点，以参考原点为圆心绘制一个个切割圆，切割圆的半径为用切割圆沿发动机轴向，即XY平面垂直方向建立切割面对风扇叶片进行切割；半径为的切割圆切割风扇叶片的切除量即为叶片损伤量；通过三维设计软件可以得到叶片损伤量的质量、质心和转动惯量以及损伤百分比，由公式Km＝mmrm(m＝1,2…n)得到叶片损伤量引起的不平衡量Km，其中mm为叶片损伤量的引起的不平衡质量，rm为叶片损伤量的质心到参考原点的半径；风扇叶片不同程度损伤所引起的不平衡量都可按以上方法计算；将切割后的损伤叶片用于风扇叶盘的实体模型中，即得到包含叶片损伤的风扇叶盘实体模型；步骤六：等效风扇叶片损伤不平衡量；将叶片损伤量在扇形等效叶片上等效为可移除的同心扇形薄片，即等效损伤量；需确定同心扇形薄片的外径R4、内径厚度df以及圆心角α。在步骤一中，所述的三维设计软件选自UG、PRO/E和SOLIDWPRS中的任意一种。在步骤三中，所述的安装孔与风扇叶盘的安装孔一致，即等效轮盘的安装孔直径R是确定的；等效轮盘外径R1由公式求得，其中转动惯量JP和质量M1通过三维设计软件得到；等效轮盘厚度D由公式得到。在步骤四中，所述的等效圆环安装在等效轮盘外端，因此等效圆环内径R2与等效轮盘外径R1相等，即R2＝R1；假设风扇叶盘的叶片共有N个，单个风扇叶片等效成角度为2π/N的扇形等效叶片，等效圆环外径R3可由公式求得，其中S为单个叶片等效的扇形等效叶片的面积，其中质量M2和单个叶片的重心半径RS由三维设计软件得到；等效圆环叶环厚度d由公式得到。在步骤六中，所述的等效损伤量扇形薄片的外径R4为等效圆环的圆环外径R3，即R4＝R3；厚度df与等效圆环的圆环厚度d相同，即df＝d；扇形对应的圆心角为α＝2π/N，等效损伤量扇形薄片的内径不同风扇叶片损伤不平衡量在等效叶片上的等效损伤量的内径都可按上式进行计算。与现有的等效设计方法相比，本专利技术具有以下优点：(1)通过三坐标扫描法得到的数据在三维设计软件中建立风扇叶盘实体模型，可以包含风扇复杂的细节结构，等效时也包含了细节结构的影响，与理论等效法相比，模型还原度高、等效精度高；(2)直接通过三维设计软件得到风扇叶盘、叶片、叶片损伤量的质量、质心、转动惯量等主要的物理特征参数，计算精度高、过程简单，也避免了复杂的理论计算；(3)将复杂的单个风扇叶片等效成结构简单的扇形结构，将叶片损伤量在扇形结构上等效为可移除的同心扇形薄片，不仅还原程度高，而且在实际使用中，通过逐步移除同心扇形薄片，也能模拟叶片的逐步损伤过程。(4)在三维设计软件中建立的包含叶片损伤的风扇叶盘实体模型和动不平衡模拟转子的实体模型都为参数化模型，在软件中都可以得到相应的物理特征参数，便于二者对比验证，以提高等效精度。(5)本方法既适用于一体结构的风扇叶盘，也适用于其它不同形式连接结构的风扇叶盘。附图说明图1为本专利技术提供的航空发动机风扇动不平衡模拟转子等效设计方法流程图。图2为风扇叶盘结构实体模型示意图。图3为动不平衡模拟转子的实体模型示意图。图4为风扇叶片损伤等效示意图。图中标号名称：1-叶片损伤量2-风扇叶片3-等效叶片4-等效损伤量5-等效圆环6-等效轮盘7-安装孔8-风扇轮盘9-安装面10-风扇叶盘11-等效模拟转子具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详述：如图1所示，本专利技术提供的航空发动机风扇动不平衡模拟转子等效设计方法包括按顺序进行的下列步骤：步骤一：通过三坐标扫描法得到航空发动机风扇叶片和风扇轮盘的轮廓线，然后将轮廓线导入到三维设计软件中进行曲线拟合，建立精确的风扇叶盘实体模型；在三维设计软件中定义风扇叶片和风扇轮盘的材料属性，并根据实际风扇叶片和风扇轮盘的设计参数定义风扇叶盘实体模型的重心位置；根据三维设计软件计算风扇叶盘实体模型的重量，并与实测重量进行对比，如有偏差，在风扇叶盘实体模型中通过调整材料的密度和重心位置进行修正；所述的三维设计软件选自UG、PRO/E和SOLIDWPRS中的任意一种；步骤二：如图2所示，以风扇叶片2和风扇轮盘8的安装面9作为参考面，在三维设计软件中以安装面9为切割面将风扇叶盘10分割成轮盘和叶环两部分；如果风扇叶片2和风扇轮盘8是一体结构，利用三维设计软件得到轮盘和叶环的物理特征参数，包括体积、质量和重心；如果风扇叶片2和风扇轮盘8不是一体结构，风扇叶片2被切割后有部分结构保留在风扇轮盘8中，风扇轮盘8的质量其中ρ1和ρ2分别为风扇轮盘8和风扇叶片2密度，V10和分别为风本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航空发动机风扇动不平衡模拟转子等效设计方法，其特征在于：所述的航空发动机风扇动不平衡模拟转子等效设计方法包括按顺序进行的下列步骤：步骤一：通过三坐标扫描法得到航空发动机风扇叶片和风扇轮盘的轮廓线，然后将轮廓线导入到三维设计软件中进行曲线拟合，建立精确的风扇叶盘实体模型；在三维设计软件中定义风扇叶片和风扇轮盘的材料属性，并根据实际风扇叶片和风扇轮盘的设计参数定义风扇叶盘实体模型的重心位置；根据三维设计软件计算风扇叶盘实体模型的重量，并与实测重量进行对比，如有偏差，在风扇叶盘实体模型中通过调整材料的密度和重心位置进行修正；步骤二：以风扇叶片和风扇轮盘的安装面作为参考面，在三维设计软件中以安装面为切割面将风扇叶盘分割成轮盘和叶环两部分；如果风扇叶片和风扇轮盘是一体结构，利用三维设计软件得到轮盘和叶环的物理特征参数，包括体积、质量和重心；如果风扇叶片和风扇轮盘不是一体结构，风扇叶片被切割后有部分结构保留在风扇轮盘中，风扇轮盘的质量

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机风扇动不平衡模拟转子等效设计方法，其特征在于：所述的航空发动机风扇动不平衡模拟转子等效设计方法包括按顺序进行的下列步骤：步骤一：通过三坐标扫描法得到航空发动机风扇叶片和风扇轮盘的轮廓线，然后将轮廓线导入到三维设计软件中进行曲线拟合，建立精确的风扇叶盘实体模型；在三维设计软件中定义风扇叶片和风扇轮盘的材料属性，并根据实际风扇叶片和风扇轮盘的设计参数定义风扇叶盘实体模型的重心位置；根据三维设计软件计算风扇叶盘实体模型的重量，并与实测重量进行对比，如有偏差，在风扇叶盘实体模型中通过调整材料的密度和重心位置进行修正；步骤二：以风扇叶片和风扇轮盘的安装面作为参考面，在三维设计软件中以安装面为切割面将风扇叶盘分割成轮盘和叶环两部分；如果风扇叶片和风扇轮盘是一体结构，利用三维设计软件得到轮盘和叶环的物理特征参数，包括体积、质量和重心；如果风扇叶片和风扇轮盘不是一体结构，风扇叶片被切割后有部分结构保留在风扇轮盘中，风扇轮盘的质量其中ρ1和ρ2分别为风扇轮盘和风扇叶片的密度，V10和分别为风扇轮盘的体积和风扇叶片保留在风扇轮盘中的体积，分割后的轮盘体积步骤三：将分割后的轮盘等效为厚度不变的等效轮盘，需确定等效轮盘的安装孔直径R、等效轮盘外径R1和等效轮盘厚度D；步骤四：将分割后的叶环等效为厚度不变的等效圆环；需确定等效圆环内径R2、圆环外径R3和圆环厚度d；步骤五：计算风扇叶片损伤不平衡量；在三维设计软件中，以风扇叶盘实体模型的重心位置为参考原点，以参考原点为圆心绘制一个个切割圆，切割圆的半径为用切割圆沿发动机轴向，即XY平面垂直方向建立切割面对风扇叶片进行切割；半径为的切割圆切割风扇叶片的切除量即为叶片损伤量；通过三维设计软件可以得到叶片损伤量的质量、质心和转动惯量以及损伤百分比，由公式Km＝mmrm(m＝1,2…n)得到叶片损伤量引起的不平衡量...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鸿，李湘萍，郑海洋，崔东泽，王俊昌，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：天津,12