机匣轻量化设计方法技术

提供一种机匣轻量化设计方法，将机匣分为光滑区和非光滑区，并分别建模，形成光滑区模型和非光滑区模型；获取使光滑区模型的膜应变能处于最小时的周向各处壁厚数据，并选择壁厚数据的最大值作为光滑区厚度，对非光滑区模型采用拓扑优化方法确定减薄区域

【技术实现步骤摘要】
机匣轻量化设计方法、一种机匣


[0001]本专利技术属于航空发动机设计领域，具体涉及航空发动机机匣的减重设计领域
。

技术介绍

[0002]航空发动机推重比是衡量发动机技术水平和工作能力的综合指标之一，降低重量可显著提高发动机推重比
。
控制并减轻发动机重量，以保证发动机更好飞行机动性能
、
减少耗油量，降低污染排放，是航空发动机设计的必然趋势
。
对机匣减重轻量化设计技术进行研究，在满足安全性的基础之上，最大限度降低发动机重量，是提高发动机推重比的有效途径之一
。
[0003]例如，燃烧室机匣是航空发动机主要承力件，在机匣结构设计研发时，在满足刚度和强度要求的前提下，需要使机匣重量达到最大限度的降低
。
机匣属于薄壁圆筒结构，但在燃烧室上安装有燃油喷嘴
、
点火电嘴，因此在机匣上还开设有相应的多个安装凸台和孔，结构复杂
。
[0004]在传统减重方法中，一是对机匣应力低的部位进行去材料减薄处理，但该方法容易同时改变机匣的结构刚度和传力路径，而使得其他部位应力水平高于材料强度，因此需要一种自动化由几何更改，可使刚度应力迭代的优化方法程序进行减重设计
。
拓扑优化方法属于上述自动化优化方法之一，但采用拓扑优化方法对整体机匣进行减重优化设计，优化后的结构存在多处去材料导致的几何不连续问题，给加工制造带来极大难度，此外多处去材料也导致加工时需在多个位置处进行铣车加工处理，显著增加加工难度和制造成本
。
[0005]因此，有必要提出一种燃烧室机匣结构轻量化设计方法，以解决上述问题
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的一个目的是提供一种机匣轻量化设计方法，能够在保证机匣结构刚度和强度的基础上进行有效减重设计，并能够控制机匣制造成本
。
[0007]用于实现上述目的的机匣轻量化设计方法包括如下步骤：将机匣分为光滑区和非光滑区，并分别建模，形成光滑区模型和非光滑区模型；获取使光滑区模型的膜应变能处于最小时的周向各处壁厚数据，并选择壁厚数据的最大值作为光滑区厚度，对非光滑区模型采用拓扑优化方法确定减薄区域
。
上述机匣轻量化设计方法能够在保证强度和刚度的基础上对机匣实现有效减重
。
还提供一种使用上述方法指导设计的机匣
。
[0008]在一个或多个实施例中，所述非光滑区包括带有凸起和
/
或凹槽和
/
或孔洞区
。
[0009]在一个或多个实施例中，对光滑区采用壳单元建模，形成设计域壳单元；对非光滑区采用实体单元建模，形成三维实体单元
。
[0010]在一个或多个实施例中，在所述三维实体单元和所述设计域壳单元之间设置虚拟壳单元，所述虚拟壳单元附着在所述三维实体单元下方，并与所述设计域壳单元共节点连接
。
[0011]在一个或多个实施例中，定义壁厚上下限，在所述壁厚上下限范围内确定使膜应
变能最小时的壁厚数据
。
[0012]在一个或多个实施例中，该方法还包括体积约束要求，变壁厚计算时所述光滑区模型的体积降低量不高于
30
％
。
[0013]在一个或多个实施例中，所述体积的计算公式为：
h
i
为第
i 个单元的厚度，
N
为设计变量总数，
A
i
为第
i
个单元的面积
。
[0014]在一个或多个实施例中，膜应变能的计算公式为： U
为膜应变能，
E
为弹性模量，
q
为壁面压力，
r
为机匣半径，
θ
，
z
分别为柱坐标周向和轴向坐标轴，
h
为设计变量向量
。
[0015]在一个或多个实施例中，对非光滑区模型采用变密度优化设计方法，所述变密度优化设计方法包括下列步骤：确定密度值选择范围；在所述密度值选择范围内计算柔度，同时赋予体积约束条件和
/
或质量约束条件；在所述柔度最小时且符合所述体积约束条件和
/
或所述质量约束条件时获得优化减重结果
。
[0016]在一个或多个实施例中，在所述优化减重结果中，选择密度小于等于 0.4
的区域为减重区域
。
[0017]在一个或多个实施例中，所述质量约束条件为所述非光滑区域模型的减重比例大于等于优化前模型质量的
50
％，所述体积约束条件为优化后所述非光滑区域模型体积降低量不高于
50
％
。
[0018]本专利技术的另一个目的在于提供一种使用上述方法指导获得的机匣
。
[0019]上述机匣轻量化设计方法能够针对具有不同结构的机匣分区设计，对于具有带凸台
、
开孔薄壁等特殊复杂结构的薄壁结构，使用局部拓扑优化方法获取减薄区域，对于普通光滑薄壁机匣区域采用变壁厚优化方式，以在保证结构整体刚度和制造成本的基础上达到最大限度减重目标
。
附图说明
[0020]本专利技术的上述的以及其他的特征
、
性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
[0021]图1是燃烧室的结构示意图
。
[0022]图2是燃烧室外机匣的一个实施例的示意图
。
[0023]图
3A
是光滑区域模型的一个实施例的示意图
。
[0024]图
3B
是非光滑区域模型的一个实施例的示意图
。
[0025]图
4A
是光滑区域模型各处厚度分布的一个实施例的示意图
。
[0026]图
4B
是取最大壁厚后光滑区域模型的一个实施例的示意图
。
[0027]图5是有限元建模的一个实施例的示意图
。
[0028]图6是非光滑区域模型的一个实施例的局部示意图
。
[0029]图
7A
是安装座减重区域的一个实施例的示意图
。
[0030]图
7B
是凸台减重区域的一个实施例的示意图
。
[0031]图8是机匣轻量化设计方法的步骤流程图
。
[0032]符号标记说明
[0033]1、
燃油喷嘴
[0034]2、
火焰筒外环
[0035]3、
燃烧室外机匣
[0036]4、
火焰筒内环
[0037]5、
燃烧室内机匣
[0038]6、
头部转接段
[0039]7、
扩压器
[0040]6本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种机匣轻量化设计方法，其特征在于，包括下列步骤：将机匣分为光滑区和非光滑区，并分别建模，形成光滑区模型
(501)
和非光滑区模型
(502)
；获取使所述光滑区模型
(501)
的膜应变能处于最小时的周向各处壁厚数据，并选择所述壁厚数据的最大值作为光滑区厚度，对非光滑区模型
(502)
采用拓扑优化方法确定减薄区域
。2.
如权利要求1所述的机匣轻量化设计方法，其特征在于，所述非光滑区包括带有凸起和
/
或凹槽和
/
或孔洞区
。3.
如权利要求1所述的机匣轻量化设计方法，其特征在于，对光滑区采用壳单元建模，形成设计域壳单元
(411)
；对非光滑区采用实体单元建模，形成三维实体单元
(412)。4.
如权利要求3所述的机匣轻量化设计方法，其特征在于，在所述三维实体单元
(412)
和所述设计域壳单元
(411)
之间设置虚拟壳单元
(413)
，所述虚拟壳单元
(413)
附着在所述三维实体单元
(412)
下方，并与所述设计域壳单元
(411)
共节点连接
。5.
如权利要求1所述的机匣轻量化设计方法，其特征在于，定义壁厚上下限，在所述壁厚上下限范围内确定使膜应变能最小时的壁厚数据
。6.
如权利要求1所述的机匣轻量化设计方法，其特征在于，该方法还包括体积约束要求，变壁厚计算时所述光滑区模型的体积降低量不高于
30
％
。7.
如权利要求6所述的机匣轻量化设计方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨眉，许璠璠，唐帅，
申请(专利权)人：中国航发商用航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：