民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片適航符合性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法研究.pdf

1、民用渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)為了提高涵道比和效率，必須采用大尺寸的風(fēng)扇葉片，大尺寸風(fēng)扇葉片已經(jīng)成為民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)典型特征。以風(fēng)扇葉片為典型部件的先進(jìn)部件設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成為新一代航空動(dòng)力的主要技術(shù)。隨著國產(chǎn)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證問題已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的問題，風(fēng)扇葉片作為大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)最前端和最典型部件之一，其適航性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證也具有典型的代表性。本文從民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片適航性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證出發(fā)，系統(tǒng)研究了

2、風(fēng)扇葉片適航性設(shè)計(jì)涉及的理論和驗(yàn)證方法，從風(fēng)扇葉片參數(shù)化建模和結(jié)構(gòu)優(yōu)化、振動(dòng)適航性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證、鳥撞適航性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證、冰撞擊及等效安全驗(yàn)證，符合性仿真驗(yàn)證平臺(tái)等方面開展系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作。通過廣泛的數(shù)值分析和部件驗(yàn)證，減少風(fēng)扇臺(tái)架試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，提高適航認(rèn)證的成功率。論文主要研究成果如下：
　?。?）針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)寬弦彎掠大風(fēng)扇葉片造型復(fù)雜問題開展了風(fēng)扇葉片參數(shù)化和穩(wěn)健性優(yōu)化研究?；谔卣髟煨图夹g(shù)，通過葉身、圓弧榫頭、伸根段三個(gè)特征的

3、參數(shù)化構(gòu)建了風(fēng)扇葉片幾何參數(shù)化建模方法。提出以三階非均勻有理B樣條實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇葉片型線的設(shè)計(jì)與積疊成型方法，解決了以兩端中點(diǎn)和重心點(diǎn)為核心的風(fēng)扇葉片圓弧榫建模以及自由曲面向矩形截面的光滑過渡造型難點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇葉片的三維幾何建模，并基于UG OPEN/API二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了造型的自動(dòng)生成。在風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，根據(jù)風(fēng)扇葉片四個(gè)截面的偏移量和DOE方法構(gòu)造葉片重量、靜強(qiáng)度、振動(dòng)、鳥撞的近似響應(yīng)

4、面模型，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇葉片的穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)。為風(fēng)扇葉片的快速建模提供方法和手段，提高了風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健性，并為風(fēng)扇葉片的適航性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供了基礎(chǔ)；
　?。?）針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片振動(dòng)符合性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證全過程涉及的流程、方法、準(zhǔn)則、試驗(yàn)驗(yàn)證等技術(shù)難題，從振動(dòng)條款的要求出發(fā)，提出了風(fēng)扇葉片振動(dòng)符合性的技術(shù)要求、符合性過程、模態(tài)識(shí)別和應(yīng)力識(shí)別方法、元件級(jí)和部件級(jí)驗(yàn)證、整機(jī)級(jí)驗(yàn)證方法，構(gòu)建了風(fēng)扇葉片振動(dòng)符合性分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的全壽命周期方法

5、。形成了以耐久極限百分比、應(yīng)變片相對(duì)應(yīng)變、各模態(tài)相對(duì)應(yīng)變?yōu)楹诵牡膭?dòng)應(yīng)力識(shí)別和數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)則?；趨?shù)化的風(fēng)扇葉片模型，采用仿真分析方法對(duì)風(fēng)扇葉片的振動(dòng)特性和振動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，并通過元件級(jí)和部件級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證風(fēng)扇葉片相對(duì)振動(dòng)應(yīng)力分布以及抗高周疲勞能力。分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，該風(fēng)扇葉片的振動(dòng)特性和振動(dòng)應(yīng)力水平滿足本文提出的適航條款設(shè)計(jì)要求，風(fēng)扇葉片相對(duì)應(yīng)力分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，部件具備了抗高周疲勞能力，為風(fēng)扇葉片振動(dòng)符合性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了方法

6、和依據(jù)；
　?。?）針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鳥撞條款設(shè)計(jì)和驗(yàn)證涉及的不同類型鳥撞數(shù)值仿真分析、元件級(jí)鳥撞試驗(yàn)、部件級(jí)鳥撞試驗(yàn)符合性驗(yàn)證等技術(shù)難題，分析風(fēng)扇葉片大鳥、中鳥及大型群鳥鳥撞的適航性要求和判斷準(zhǔn)則。構(gòu)建了經(jīng)過元件級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證的鳥體本構(gòu)模型和風(fēng)扇葉片高應(yīng)變率本構(gòu)模型，并采用高速?zèng)_擊試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了風(fēng)扇葉片鳥撞分析模型。在經(jīng)過驗(yàn)證的鳥撞分析模型上通過仿真方法分析了風(fēng)扇葉片抗大鳥、中鳥和大型群鳥撞擊的能力，形成了大鳥鳥撞和中鳥鳥撞危險(xiǎn)點(diǎn)分析

7、方法，提出了基于大型群鳥和中鳥鳥撞后風(fēng)扇葉片變形的功率下降分析方法，實(shí)現(xiàn)了以仿真分析為主的風(fēng)扇葉片鳥撞符合性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證手段。分析表明，所設(shè)計(jì)的風(fēng)扇葉片在大鳥撞擊下最大葉片損失為27％，在大型群鳥和中鳥撞擊過程中功率下降18.5%，具備抵抗大鳥、大型群鳥、中鳥撞擊的能力。為風(fēng)扇葉片抗鳥撞設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了可行的方法和模型；
　?。?）針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片涉及的結(jié)冰和冰撞擊問題，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰氣象參數(shù)條件、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)條件、結(jié)

8、冰要求以及風(fēng)扇葉片冰撞擊要求。分析了包含連續(xù)最大、間斷最大、混合最大結(jié)冰狀態(tài)以及起飛、起飛爬升、航路爬升、下降、空中等待、進(jìn)場(chǎng)和著陸等全過程結(jié)冰情況，提出了風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)結(jié)冰和冰生長分析方法?；陲L(fēng)扇葉片結(jié)冰分析、冰撞擊關(guān)鍵點(diǎn)分析以及冰撞擊模型驗(yàn)證，從結(jié)冰條件、旋轉(zhuǎn)結(jié)冰分析、冰撞擊關(guān)鍵點(diǎn)分析以及冰撞擊分析方法方面建立了風(fēng)扇葉片在結(jié)冰和冰撞擊方面的驗(yàn)證方法，進(jìn)一步提出了等效安全在發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片適航驗(yàn)證方面的應(yīng)用，為風(fēng)扇葉片的適航符合性設(shè)計(jì)和