变循环发动机总体结构动力学快速分析技术研究

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变循环发动机作为第六代战斗机的主要备选动力装置,全球各大航空公司纷纷对其展开了一系列的探索与研究。但其技术难点多、研究难度大,尚无哪个公司的技术熟练度能够达到批量生产水平。要想在未来空中领域占有一席之地,我国对变循环发动机的研究也需要加快脚步。变循环发动机具有可变活动结构、多层机匣和转子超高转速等特点,其整机的动力学特性非常复杂,采用传统的整机结构动力学分析方法可能会影响整机动力学设计效率。因此,有必要开展变循环发动机总体结构动力学快速分析技术研究。本文研究了变循环发动机机匣系统、转子系统参数化建模技术,考虑螺栓连接刚度的影响建立了变循环发动机转子-支承-机匣整机动力学模型,并完成了整机结构动力学快速预估与分析。主要研究工作如下:(1)建立了变循环发动机机匣精细有限元模型,利用自行开发的软件实现了机匣板壳模型参数化建模,机匣板壳模型相比精细模型自由度数缩减均超90%。通过模态计算得到了机匣板壳模型与精细模型的各阶模态频率误差小于10%,并由相关性分析理论验证了机匣板壳模型的准确性与可靠性,各阶匹配的模态对MAC值均大于0.8。(2)建立了一个虚拟高压转子模型,得到了六面体简化模型可以代替精细模型作为参考模型的结论。以简化模型作为参考,分别验证了变循环发动机高、低压转子和双转子二维模型临界转速的计算效率与精度。低压转子临界转速计算效率提高了92.0%,临界转速的最大误差为0.3%。高压转子临界转速计算效率提高了93.0%,临界转速的最大误差为0.7%。双转子临界转速计算效率提高了88.9%,临界转速的最大误差为2.8%。(3)研究了机匣螺栓连接刚度的识别方法与理论计算公式,采用实体薄层连接机匣精细模型,虚拟薄层连接机匣板壳模型。以进气机匣与压气机机匣为例,用相关分析理论证明了虚拟薄层连接板壳模型可靠性,各阶匹配模态对MAC值均大于0.8。(4)建立了变循环发动机转子-支承-机匣整机模型,其总的自由度数为35.5万。能将多层机匣以及连接刚度的影响考虑在内,计算整机转子临界转速,实现变循环发动机初始结构方案的动力学快速预估分析。(5)开发了一套变循环发动机整机动力学快速预估软件,能分别实现机匣系统、转子系统的参数化建模,并能完成薄层连接建模与薄层等效弹性模量的计算。在保证一定精度的前提下,对建立的转子-支承-机匣整机模型快速完成转子临界转速计算。
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