民用航空發(fā)動機風扇葉片適航符合性設計與驗證方法研究.pdf

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

2、風扇葉片適航性設計涉及的理論和驗證方法，從風扇葉片參數(shù)化建模和結(jié)構(gòu)優(yōu)化、振動適航性設計和驗證、鳥撞適航性設計和驗證、冰撞擊及等效安全驗證，符合性仿真驗證平臺等方面開展系統(tǒng)的設計和驗證工作。通過廣泛的數(shù)值分析和部件驗證，減少風扇臺架試驗的風險，提高適航認證的成功率。論文主要研究成果如下：
　?。?）針對航空發(fā)動機寬弦彎掠大風扇葉片造型復雜問題開展了風扇葉片參數(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、伸根段三個特征的

3、參數(shù)化構(gòu)建了風扇葉片幾何參數(shù)化建模方法。提出以三階非均勻有理B樣條實現(xiàn)風扇葉片型線的設計與積疊成型方法，解決了以兩端中點和重心點為核心的風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。實現(xiàn)了風扇葉片的三維幾何建模，并基于UG OPEN/API二次開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)了造型的自動生成。在風扇葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎上，進一步提出風扇葉片結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性優(yōu)化設計方法，根據(jù)風扇葉片四個截面的偏移量和DOE方法構(gòu)造葉片重量、靜強度、振動、鳥撞的近似響應

4、面模型，實現(xiàn)了風扇葉片的穩(wěn)健性優(yōu)化設計。為風扇葉片的快速建模提供方法和手段，提高了風扇葉片結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健性，并為風扇葉片的適航性設計和驗證提供了基礎；
　?。?）針對航空發(fā)動機風扇葉片振動符合性設計和驗證全過程涉及的流程、方法、準則、試驗驗證等技術(shù)難題，從振動條款的要求出發(fā)，提出了風扇葉片振動符合性的技術(shù)要求、符合性過程、模態(tài)識別和應力識別方法、元件級和部件級驗證、整機級驗證方法，構(gòu)建了風扇葉片振動符合性分析和試驗驗證的全壽命周期方法

5、。形成了以耐久極限百分比、應變片相對應變、各模態(tài)相對應變?yōu)楹诵牡膭討ψR別和數(shù)據(jù)處理準則?；趨?shù)化的風扇葉片模型，采用仿真分析方法對風扇葉片的振動特性和振動應力進行計算，并通過元件級和部件級試驗驗證風扇葉片相對振動應力分布以及抗高周疲勞能力。分析和試驗結(jié)果表明，該風扇葉片的振動特性和振動應力水平滿足本文提出的適航條款設計要求，風扇葉片相對應力分析結(jié)果與試驗結(jié)果比較吻合，部件具備了抗高周疲勞能力，為風扇葉片振動符合性設計與驗證提供了方法

6、和依據(jù)；
　?。?）針對航空發(fā)動機鳥撞條款設計和驗證涉及的不同類型鳥撞數(shù)值仿真分析、元件級鳥撞試驗、部件級鳥撞試驗符合性驗證等技術(shù)難題，分析風扇葉片大鳥、中鳥及大型群鳥鳥撞的適航性要求和判斷準則。構(gòu)建了經(jīng)過元件級試驗驗證的鳥體本構(gòu)模型和風扇葉片高應變率本構(gòu)模型，并采用高速沖擊試驗進一步驗證了風扇葉片鳥撞分析模型。在經(jīng)過驗證的鳥撞分析模型上通過仿真方法分析了風扇葉片抗大鳥、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點分析

7、方法，提出了基于大型群鳥和中鳥鳥撞后風扇葉片變形的功率下降分析方法，實現(xiàn)了以仿真分析為主的風扇葉片鳥撞符合性設計和驗證手段。分析表明，所設計的風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。為風扇葉片抗鳥撞設計與驗證提供了可行的方法和模型；
　　（4）針對航空發(fā)動機風扇葉片涉及的結(jié)冰和冰撞擊問題，提出了發(fā)動機進氣系統(tǒng)結(jié)冰氣象參數(shù)條件、發(fā)動機參數(shù)條件、結(jié)

8、冰要求以及風扇葉片冰撞擊要求。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、進場和著陸等全過程結(jié)冰情況，提出了風扇葉片旋轉(zhuǎn)結(jié)冰和冰生長分析方法?；陲L扇葉片結(jié)冰分析、冰撞擊關(guān)鍵點分析以及冰撞擊模型驗證，從結(jié)冰條件、旋轉(zhuǎn)結(jié)冰分析、冰撞擊關(guān)鍵點分析以及冰撞擊分析方法方面建立了風扇葉片在結(jié)冰和冰撞擊方面的驗證方法，進一步提出了等效安全在發(fā)動機風扇葉片適航驗證方面的應用，為風扇葉片的適航符合性設計和