基于Workbench的航空发动机双辐板涡轮盘强度分析及结构优化.pdf
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1、Dynamical Systems and Control 动力系统与控制动力系统与控制,2023,12(3),165-172 Published Online July 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/dsc https:/doi.org/10.12677/dsc.2023.123018 文章引用文章引用:屈帅镔,胡宋健,郝方周,陈航,陈嘉骏,宋超.基于 Workbench 的航空发动机双辐板涡轮盘强度分析及结构优化J.动力系统与控制,2023,12(3):165-172.DOI:10.12677/dsc.2023.123018 基于基
2、于Workbench的航空发动机双辐板涡轮盘的航空发动机双辐板涡轮盘 强度分析及结构优化强度分析及结构优化 屈帅镔屈帅镔1*,胡宋健胡宋健1,2,郝方周,郝方周1,陈,陈 航航1,陈嘉骏,陈嘉骏1,宋,宋 超超3 1南昌航空大学飞行器工程学院,江西 南昌 2南方科技大学力学与航空航天工程系,广东 深圳 3南昌航空大学通航(民航)学院,江西 南昌 收稿日期:2023年6月20日;录用日期:2023年7月11日;发布日期:2023年7月21日 摘摘 要要 应用应用workbench商业有限元分析软件对双辐板涡轮盘和传统涡轮盘进行了强度分析,结果表明:双辐板商业有限元分析软件对双辐板涡轮盘和传统涡轮
3、盘进行了强度分析,结果表明:双辐板涡轮盘在质量方面具有优势,但在强度方面略逊于传统涡轮盘,接下来采用参数化直接优化的方法对双涡轮盘在质量方面具有优势,但在强度方面略逊于传统涡轮盘,接下来采用参数化直接优化的方法对双辐板涡轮盘进行结构优化,结果表明该优化方法使得双辐板涡轮盘在重量和强度方面均得到提升辐板涡轮盘进行结构优化,结果表明该优化方法使得双辐板涡轮盘在重量和强度方面均得到提升。关键词关键词 双辐板涡轮盘双辐板涡轮盘,航空发动机航空发动机,参数化结构优化参数化结构优化,强度分析强度分析 Workbench Based Strength Analysis and Structural Opti
4、mization of Twin Spoke Turbine Disks in Aircraft Engines Shuaibin Qu1*,Songjian Hu1,2,Fangzhou Hao1,Hang Chen1,Jiajun Chen1,Chao Song3 1School of Aircraft Engineering,Nanchang Hangkong University,Nanchang Jiangxi 2Department of Mechanics and Aerospace Engineering,Southern University of Science and T
5、echnology,Shenzhen Guangdong 3General Aviation(Civil Aviation)College,Nanchang Hangkong University,Nanchang Jiangxi Received:Jun.20th,2023;accepted:Jul.11th,2023;published:Jul.21st,2023 *通讯作者。屈帅镔 等 DOI:10.12677/dsc.2023.123018 166 动力系统与控制 Abstract The strength analysis of double spoke turbine discs
6、and traditional turbine discs was conducted using Workbench commercial finite element analysis software.The results showed that double spoke turbine discs have advantages in quality,but slightly inferior in strength to traditional tur-bine discs.Next,a parameterized direct optimization method was us
7、ed to optimize the structure of double spoke turbine discs.The results showed that this optimization method improved the weight and strength of double spoke turbine discs.Keywords Double Spoke Turbine Disk,Aircraft Engine,Parameterized Structure Optimization,Strength Analysis Copyright 2023 by autho
8、r(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 航空发动机是飞机的核心部件之一,涡轮盘是航空发动机中重要的旋转部件之一。双辐板涡轮盘是一种广泛应用于航空发动机中的结构,具有轻质化、高刚度、高可靠性等优点;同时冷气流入前后辐板组成的盘腔,经过内部盘腔对流换热后从盘缘流出,有效降低了涡轮盘的工作温度1;其强度
9、分析及结构优化对于保障发动机安全稳定运行至关重要。国内目前已开展部分研究。由于、陆山等人通过静强和寿命可靠性对双辐板涡轮盘进行了优化设计2;陆山等人基于静强设计准则对双辐板涡轮盘进行了结构优化3;苏运来提出并建立了基于 ANSYS-MATLAB 双平台的双辐板涡轮盘强度及寿命可靠性优化设计方法和平台4;张猛创针对于带有导流肋板的新型双辐板涡轮盘进行了多学科多目标设计优化5;毕绍康通过自编程优化平台运用遗传算法优化双辐板涡轮盘强度结构分布6。本文基于 workbench 平台,对航空发动机双辐板涡轮盘进行了强度分析及结构优化研究。首先,介绍了涡轮盘在航空发动机中的作用,以及双辐板涡轮盘的结构特点
10、和工作原理;然后,详细说明了涡轮盘的强度分析方法和 workbench 模拟流程,包括几何建模、网格划分、边界条件设置等;接着,进行了双辐板涡轮盘强度分析,并对结果进行了讨论和分析;最后,针对分析结果提出了结构优化方案,并使用 workbench 包括优化方法对双辐板涡轮盘进行了优化设计。本文的主要目的是基于 workbench 平台,建立双辐板涡轮盘三维结构优化设计方法,最后以某型整体式涡轮叶盘为典型算例进行双辐板涡轮盘的结构优化设计,对设计方法及平台进行验证。2.涡轮盘有限元模型建立涡轮盘有限元模型建立 2.1.涡轮盘模型涡轮盘模型 本文研究的轮盘结构为整体式涡轮叶盘,针对新型涡轮盘结构的
11、实际引用,需要对其在使用中的强度进行仿真,模型如图 1 所示。Open AccessOpen Access屈帅镔 等 DOI:10.12677/dsc.2023.123018 167 动力系统与控制 Figure 1.UG model of integral turbine blades 图图 1.整体式涡轮叶盘 UG 模型图 2.2.材料设置材料设置 本文计算案例中的涡轮盘采用较成熟的 K41b 镍基铸造高温合金,考虑了材料性能随温度场的变化,材料热属性设置如下表 1 所示。Table 1.Thermal properties of K418b material 表表 1.K418b 材料热
12、属性/C 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000/(W/(mC)10.2 11.9 13.8 15.4 17.1 18.8 20.5 22.1 23.8 25.7 /C 27100 27200 27300 27400 27500/106C1 10.2 11.9 13.8 15.4 17.1 /C 27600 27700 27800 27900 27100/106C1 18.8 20.5 22.1 23.8 25.7 2.3.温度场设置温度场设置 涡轮盘工作时受离心力、气动力与热载荷的共同作用,载荷复杂,同时旋转刚化作用及高温环境会对轮盘固有频率产生显著
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