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航空发动机支架结构拓扑设计与分析
作者：刘治呈
来源：《山东工业技术》2019年第13期
摘 要：为了提高航空发动机支架结构的设计质量，为发动机的正常工作提供稳固的支撑，就需要对支架结构进行拓扑设计分析，进而不断优化支架结构。本文对拓扑优化理论进行了一定的论述，在此基础上，进一步讨论了发动机支架的拓扑优化，并对设计方案进行了对比分析，进而优选最佳的设计方案，对于从事相关工作的技术人员具有一定的借鉴意义。
关键词：航空；发动机；支架结构
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2019.13.004
1 前言
结构拓扑设计是对结构材料进行最佳分配的一种优化方法，在规定的设计区域内，其通过对载荷、约束以及优化目标等进行对比分析，进而实现结构优化的目的。随着计算机技术的不断发展，这就为结构拓扑优化提供了设备支持，为其在航空航天、机械以及船舶等多个领域的广泛应用提供了可靠保障。结构拓扑优化的优势在于其能够在结构形状没有确定的情况下，根据所提供的边界条件和给定的载荷进而确定合理的结构形式，不僅能够将其用于新产品的设计过程中，而且还能对原有产品进行优化设计。为了提高航空发动机支架的设计质量，确保发动机的正常运行，对当前的支架结构进行拓扑优化设计，进而优选性能优良的支架结构，从而为发动机提供稳固的支撑。
2 拓扑优化理论
（1）拓扑优化变密度法。结构拓扑优化的本质是在规定的涉及区域内寻求最优材料分布的问题并进行求解。当前连续结构拓扑优化方法中，比较常用的有均匀法、变密度法以及渐进结构优化法等。本文将采用变密度法对航空发动机支架结构进行拓扑设计分析，通过引入一种假想的、密度值介于0～1之间的材料，进而将支架的连续结构体离散成为有限元的模型。在设计过程中，设计变量就是每个单元的密度值，进而能够将支架拓扑结构优化的问题转变为单元材料的最优分布问题，从而能够降低设计难度，提高支架的拓扑优化质量。
发动机燃油和控制系统有三个分系统：
燃油分配包括，燃油泵组件、IDG滑油冷却器、伺服燃油加温器
燃油控制包括，飞机接口、传感器、EEC、HMU
燃油指示包括，燃油流率、耗费的燃油、HPSOV、油滤旁通灯
总压有效条件
从两个ADIRU来的总压和静压信号在极限内，总压信号一致，至少一个总压传感器的空速管传感器与加温是接通的，空速管传感器加温关且飞机是在地面上和TRA小于53
软备用方式确保发动机推力在总压数值无效时不会有大的变化，这时如果外界空气温度变化，发动机推力可能小于正常或者发生发动机超限。这是因为EEC使用TAT，标准大气压和从标准大气压的空气温度增量的最后有效值估算马赫数。在正常方式下，空气静温从空气总温和MA计算，软备用方式没有可用的马赫数，EEC使用标准大气温度的空气温度增量的最后有效值。只有外界空气温度相同，这个估算值才是有效的。
在较大的推力水平时，EEC从软备用改变到应备用能有非指令的大的推力的改变，此时EEC不会自动的转变备用方式。硬备用时，EEC使用静压获得假定马赫数，为了保证任何情况下飞机都有充足的推力，EEC假定的外界的大气温度具有最大的推力要求。在高温条件下，大的最大推力额定值超限是有可能的，能够造成排气温度超限。
发动机空气系统控制
涡轮间隙控制和压气机气流控制。TCC是指调解在HPT和LPT的叶片和外壳的间隙，通常发动机空气系统减小转子与涡轮机匣的间隙，这有助于减少燃油消耗。在一些功率下空气也增加在高压涡轮叶片和外壳的间隙，确保HPT叶尖部没擦机匣。压气机气流控制是指调节LPC和HPC对所有功率的气流，防止发动机失速。
HPTACC的五个工作方式
无空气作动筒完全缩入，HPC的4和9级或们都关闭，这是发动机停车时的作动筒位置且是失效保险位置。如果EEC或HMU有故障，EEC指令HPTACC活门在此位置。此时HPT叶尖间隙最大
低流量第9级作动筒至8%伸长，第9级活门让低流量的第9级空气流至HPT护罩机匣，第4级蝶形活门全关，少量地冷却护罩支架
航空发动机支架结构拓扑设计与分析
为了提高航空发动机支架结构的设计质量，为发动机的正常工作提供稳固的支撑，就需要对支架结构进行拓扑设计分析，进而不断优化支架结构。本文对拓扑优化理论进行了一定的论述，在此基础上，进一步讨论了发动机支架的拓扑优化，并对设计方案进行了对比分析，进而优选最佳的设计方案，对于从事相关工作的技术人员具有一定的借鉴意义。
标签：航空；发动机；支架结构
1 前言
结构拓扑设计是对结构材料进行最佳分配的一种优化方法，在规定的设计区域内，其通过对载荷、约束以及优化目标等进行对比分析，进而实现结构优化的目的。随着计算机技术的不断发展，这就为结构拓扑优化提供了设备支持，为其在航空航天、机械以及船舶等多个领域的广泛应用提供了可靠保障。结构拓扑优化的优势在于其能够在结构形状没有确定的情况下，根据所提供的边界条件和给定的载荷进而确定合理的结构形式，不僅能够将其用于新产品的设计过程中，而且还能对原有产品进行优化设计。为了提高航空发动机支架的设计质量，确保发动机的正常运行，对当前的支架结构进行拓扑优化设计，进而优选性能优良的支架结构，从而为发动机提供稳固的支撑。
2 拓扑优化理论
（1）拓扑优化变密度法。结构拓扑优化的本质是在规定的涉及区域内寻求最优材料分布的问题并进行求解。当前连续结构拓扑优化方法中，比较常用的有均匀法、变密度法以及渐进结构优化法等。本文将采用变密度法对航空发动机支架结构进行拓扑设计分析，通过引入一种假想的、密度值介于0～1之间的材料，进而将支架的连续结构体离散成为有限元的模型。在设计过程中，设计变量就是每个单元的密度值，进而能够将支架拓扑结构优化的问题转变为单元材料的最优分布问题，从而能够降低设计难度，提高支架的拓扑优化质量。
（2）拓扑优化的设计流程。本文中的支架结构拓扑优化是通过Nastran平台进行的，其能够大大提高拓扑优化工作效率，并且能够获得良好的拓扑优化结构。首先，要充分明确航空发动机支架的设计位置，借助三维UG软件建立发动机与飞机机身相连接的几何模型，由于以后的优化设计是建立在该模型的基础上，因此，要对该模型进行系统全面的检查，确保其与实际情况相符；其次，采用Patran软件对支架的结构模型进行前期的预处理，通过优化面板对设计区域、目标函数以及约束条件等进行明确的定义，为更进一步的分析提供支持；最后，再对支架结构进行拓扑优化迭代分析，寻找结构的最优解，其整个拓扑优化设计流程如下图1所示。
1.航空发动机研制和发展面临的特点不包括下列哪项（ ）。
A.技术难度大
B.研制周期长
C.费用高
D.费用低
正确答案:D
试题解析:发动机研制开发耗费昂贵。
2.航空发动机设计要求包括（ ）。
A.推重比低
B.耗油率高
C.维修性好
D.可操纵性差
正确答案:C
试题解析:航空发动机设计要求其推重比高、耗油率低、可操纵性好、维修性好。
3.下列哪种航空发动机不属于燃气涡轮发动机（ ）。
A.活塞发动机
B.涡喷发动机
C.涡扇发动机
D.涡桨发动机
正确答案:A
试题解析:活塞发动机不属于燃气涡轮发动机，二者结构、原理不同。
4.燃气涡轮发动机的核心机由压气机、燃烧室和（ ）组成。
A.进气道
B.涡轮
C.尾喷管
D.起落架
正确答案:B
试题解析:压气机、燃烧室和涡轮并称为核心机。
5.活塞发动机工作行程不包括（ ）。
A.进气行程
B.压缩行程
C.膨胀行程
D.往返行程
正确答案:D
试题解析: 活塞发动机四个工作行程：进气、压缩、膨胀、排气。
6.燃气涡轮发动机的主要参数不包括下列哪项（ ）。
A.推力
B.推重比
C.耗油率
D.造价
正确答案:D
试题解析:造价不是发动机性能参数。
7.对于现代涡扇发动机，常用（ ）代表发动机推力。
A.低压涡轮出口总压与低压压气机进口总压之比 B.高压涡轮出口总压与压气机进口总压之比
C.高压涡轮出口总压与低压涡轮出口总压之比
D.低压涡轮出口总压与低压涡轮进口总压之比
正确答案:A
试题解析:低压涡轮出口总压与低压压气机进口总压之比用来表示涡扇发动机推力。
8.发动机的推进效率是（ ）。
A.单位时间发动机产生的机械能与单位时间内发动机燃油完全燃烧时放出的热量之比。
B.发动机的推力与动能之比。
C.发动机推进功率与单位时间流过发动机空气的动能增量之比。
D.推进功率与单位时间内发动机加热量之比。
正确答案:C
试题解析:发动机的推进效率是发动机推进功率与单位时间流过发动机空气的动能增量之比。
