某发动机挠性盘的强度分析及结构优化

航空发动机传动系统的强度分析与优化航空发动机作为现代飞行器的核心动力装置，其传动系统对于保障发动机正常运转和提升整体性能至关重要。

本文将就航空发动机传动系统的强度分析与优化展开讨论，探索如何提升传动系统的强度和可靠性。

一、航空发动机传动系统的基本构成与工作原理航空发动机传动系统由多个部分组成，包括主要的齿轮、轴、轴承等。

这些部件通过精密的设计和安装相互协作，将发动机产生的高速转动力矩传递给飞机的动力装置。

在发动机工作过程中，传动系统需要承受巨大的力矩和振动，因此传动系统的强度和可靠性对于飞机的正常运行至关重要。

二、传动系统强度分析的重要性传动系统的强度会受到多种因素的影响，包括材料的力学性能、运动配合精度、工作温度等。

因此，对传动系统的强度进行分析，能够确定传动部件的疲劳寿命和承载能力，为发动机的可靠性设计提供依据。

同时，通过强度分析还可以减轻传动系统的重量，提高整体效率，降低燃油消耗和对环境的影响。

三、传动系统强度分析的方法在进行强度分析时，可以借助计算机辅助工程（CAE）的方法，通过建立模型和数值模拟来预测传动部件的强度。

其中，有限元分析是一种常用的手段。

通过将传动部件分割成有限数量的小元素，在计算机上进行数值计算，可以得到各个元素上的应力和变形情况。

根据这些数据，可以判断传动部件在不同工况下的强度和可靠性，从而进行优化设计。

四、传动系统强度优化的方法在进行传动系统的强度优化时，有几个关键的方面需要考虑。

首先，选择适当的材料和工艺，确保传动部件的强度和刚度满足要求。

其次，通过合理的结构设计来减少应力集中和疲劳破坏的可能性。

可以采用中空轴设计、增加支撑结构和缓冲装置等方式来减小应力和振动。

此外，还可以利用优化算法进行参数优化，找到最佳的设计方案，以提高传动系统的强度和性能。

五、案例分析：航空发动机传动系统的强度优化以某型号航空发动机的传动系统为例，经过强度分析发现，在高负载工况下，传动轴存在应力集中的问题，可能导致断裂失效。

双离合器式自动变速器(DCT)柔性盘振动强度计算分析王明成;顾振宇;白秀超;宋斌;李兴忠【摘要】柔性盘作为自动变速器的重要组成部分,其减振性能的优劣不仅关系到传动系统的刚度强度性能,而且还影响整车的行驶平顺性.目前,国内针对自动变速器柔性盘的设计开发尚处于空白状态,急需在这领域进行相关研究工作.本文基于双离合器式变速器,设计开发了一套匹配发动机前置后驱C级轿车的柔性盘.在开发过程中对柔性盘进行了振动强度仿真分析计算,其中包括机构的轴向刚度计算分析和周向强度校核分析,并针对选用不同柔性盘盘体形状方案对减振效果进行了仿真对比计算,根据计算结果对柔性盘盘体形状进行了优化设计.【期刊名称】《传动技术》【年(卷),期】2015(029)003【总页数】5页(P18-21,47)【关键词】DCT;柔性盘;刚度;强度;振动仿真【作者】王明成;顾振宇;白秀超;宋斌;李兴忠【作者单位】中国第一汽车股份有限公司技术中心,长春130011;中国第一汽车股份有限公司技术中心,长春130011;中国第一汽车股份有限公司技术中心,长春130011;杭州前进齿轮箱集团股份有限公司,杭州311203;杭州前进齿轮箱集团股份有限公司,杭州311203【正文语种】中文【中图分类】U463.211+.2Key words: DCT flexible disk stiffness intensity vibration simulation 双离合器式自动变速器通过两个离合器分别连接两根输入轴，两个离合器分别在不同的速度接合，换挡过程中通过控制离合器的滑摩使得动力持续传递，能够实现在不切断动力的情况下转换传动比，有效提高换挡品质,获得较好的燃油经济性与动力性。

为防止发动机振动对双离合器的冲击，DCT变速器在发动机与离合器之间设计了柔性盘，以实现减小发动机轴向振动及保护双离合器的目的。

1.1 DCT柔性盘的结构布置如图1所示，DCT柔性盘主要由螺母1﹑盘体2和花键毂3组成。

某涡轮盘备件强度可用性分析某涡轮盘备件与现用盘批次不同，结构略有差别，因此需要在发动机工作环境下对低压涡轮盘备件进行强度计算，并将涡轮盘现用件和备件应力计算结果进行对比，给出备件在强度方面的可用性分析结果。

标签：涡轮盘；备件；强度；应力1 计算软件强度计算采用ANSYS有限元软件，计算模型在UG软件中建模完成。

2 计算条件2.1 材料数据涡轮盘材料密度为8320 kg/m3，泊松比0.3，其他材料特性数据见表1、表2和表3。

表1 弹性模量E[1]表2 线膨胀系数α[1]表3 热导率λ[1]2.2 离心力载荷工作叶片的质量和回转半径为实测值；轮盘凸块的质量和回转半径来源于UG三维模型。

根据离心力计算公式计算得到叶片和轮盘凸块在工作转速下的离心力。

2.3 温度载荷涡轮盘存在温度变化，已知盘上特定部位的温度。

因此须通过热分析，根据不同部位的温度计算得到整个涡轮盘上的温度场分布。

3 二维轴对称计算3.1 计算模型3.1.1 坐标系定义坐标原点位于发动机轴线上，X轴为低压涡轮盘半径方向，Y轴为轴线方向，逆气流方向为正。

3.1.2 涡轮盘现用件和备件模型建模时，根据图纸尺寸在软件中绘制涡轮盘的剖面图，外缘取为榫槽底部，轮盘榫槽之间的凸块作为外载荷。

涡轮盘现用件和备件的剖面图见图1。

分网时，采用PLANE183号带中间节点的单元，将单元属性修改为轴对称，现用盘划分单元2256个，节点7165个；备件盘划分单元2425个，节点7672个。

涡轮盘现用件和备件的网格见图2。

图1 涡轮盘的剖面图图2 涡轮盘网格划分图3.2 载荷和边界条件施加温度载荷：热分析计算得到的温度场作为温度载荷施加在模型节点上；离心力载荷：叶片和轮盘凸块离心力以均布力方式施加在轮盘外缘上；位移边界条件：轴向位移约束施加在轮盘右侧与低压涡轮轴连接处，周向位移约束施加在轮盘盘心处。

载荷和边界条件的施加位置如图3所示。

图3 涡轮盘的载荷和边界条件施加位置3.3 应力计算结果最大应力计算结果见表4，涡轮盘备件应力分布云图见图4～图7，现用涡轮盘应力分布与备件盘基本相同。

机械结构强度优化及模拟分析机械结构的强度优化及模拟分析随着科技的不断进步和工程领域的不断发展，机械结构的强度优化及模拟分析成为了一个重要的研究课题。

机械结构在工程设计中扮演着重要的角色，其强度和稳定性直接关系到设备的稳定运行和安全性。

因此，通过优化设计和模拟分析，能够提高机械结构的强度和性能，从而有效降低故障率和提高设备的寿命。

一、机械结构优化设计在机械结构的优化设计中，首先需要进行结构分析，了解机械结构的载荷情况。

通过载荷分析，可以确定机械结构所承受的力和应力分布情况，进而了解到机械结构的强度需求。

接下来，可以利用CAD软件进行构件的设计和三维建模。

在设计过程中，需要考虑构件的几何形状、材料性能和力学特性等因素，以满足机械结构的强度要求。

在设计过程中，还可以运用拓扑优化的方法对机械结构进行优化。

拓扑优化通过改变材料的分布，以降低结构的质量和提高强度效率。

其中，拓扑优化分为密度法和拓扑法。

密度法通过调整材料的分布密度，使得结构在同样的强度要求下达到最轻量化。

拓扑法则是更进一步在密度法基础上优化建议结构的形状。

此外，还可以借助有限元分析(FEA)进行机械结构的模拟分析。

有限元分析是一种通过建立数学模型来评估结构行为的方法。

在有限元分析中，首先对机械结构进行网格划分，将结构分割成有限数量的小元素。

然后，通过数学方法对每个小元素进行力学分析，得到结构的应力分布和变形情况。

最后，通过数值计算和求解方程，可以得到机械结构的强度、刚度和整体性能等参数。

二、机械结构模拟分析除了有限元分析外，还可以运用其他模拟分析方法对机械结构进行研究。

例如，可以使用计算流体力学(CFD)模拟流体在机械结构中的行为。

CFD可以对流体流动、传热和质量传递等流体力学问题进行模拟，因此在机械结构中的应用非常广泛。

另外，还可以运用多体动力学模拟(MBS)对机械结构的动力学行为进行研究。

MBS模拟了多个刚体或弹性体之间的相互作用和动力学行为，可以全面地分析机械结构的运动特性、振动响应和稳定性等问题。

航空发动机涡轮叶盘设计与强度分析航空发动机作为现代飞机的核心装置，其设计与强度分析对于飞机的安全性和性能至关重要。

其中，涡轮叶盘作为发动机的关键组成部分，其设计和强度分析尤为重要。

本文将探讨航空发动机涡轮叶盘的设计原理和强度分析方法。

一、涡轮叶盘的设计原理涡轮叶盘是航空发动机中密封转子的重要组成部分，具有高强度、高刚度和高旋转速度等特点。

其设计原理主要包括叶盘类型选择、叶盘的材料选择、叶盘的几何参数设计等方面。

1. 叶盘类型选择根据不同的发动机类型和工作条件，涡轮叶盘可分为单晶叶盘、多晶叶盘和铸造叶盘等不同类型。

其中，单晶叶盘具有良好的高温性能和抗疲劳性能，适用于超高温环境下的发动机。

而多晶叶盘则具有较好的耐腐蚀性和低成本优势，适用于一般航空发动机。

铸造叶盘则是一种传统的叶盘制造技术，适用于一些低温和低压力条件下的发动机。

2. 叶盘材料选择涡轮叶盘的材料选择直接影响其强度和寿命。

目前常用的叶盘材料有镍基高温合金和钛合金等。

镍基高温合金具有良好的高温强度、抗氧化性和蠕变抗性，适用于高温和高压力条件下的发动机。

而钛合金则具有良好的机械性能和耐腐蚀性，适用于一些中低温条件下的发动机。

3. 叶盘的几何参数设计涡轮叶盘的几何参数设计包括叶片数目、叶片形状、叶片高度等方面。

叶片数目的选择需考虑到发动机的功率和效率，过多的叶片数目会增加空气动力损失。

叶片形状的设计涉及到叶片的攻角和偏航角等参数，需要通过流场分析和试验验证。

叶片高度的设计需考虑到空间限制和强度要求。

二、涡轮叶盘的强度分析方法涡轮叶盘的强度分析是设计过程中的重要环节，主要包括静态强度分析和疲劳强度分析两个方面。

1. 静态强度分析静态强度分析是指对涡轮叶盘在静定负载作用下的强度进行评估。

其中，涡轮叶盘的强度计算主要包括应力计算和位移计算两个方面。

应力计算可通过有限元方法进行，求解叶盘在各种工况下的应力分布，评估其是否满足强度要求。

位移计算则可通过等效刚度法进行，求解叶盘在受力下的变形程度，评估其是否满足刚度要求。

航空发动机结构强度分析与优化设计航空发动机是航空运输中最重要的动力装置之一，发动机的结构强度是其可靠性和性能的重要保障。

因此，航空发动机结构强度分析和优化设计是现代航空工业中的热门问题。

一、航空发动机的结构与强度分析航空发动机的结构包括燃气轮机、涡轮增压器、销轴及支撑结构等。

这些结构部件在航空运输中承受着巨大的力和压力，容易产生损伤和疲劳。

因此，为确保航空发动机的安全性和长期使用，必须对其结构进行强度分析。

航空发动机的强度分析主要包括材料力学分析和结构有限元分析两个方面。

材料力学分析是通过应力-应变关系、疲劳寿命、断裂韧度等参数来描述材料的力学性能，从而确定结构安全的材料选择和设计理念。

而结构有限元分析则是通过计算机数值方法对结构进行分析，得到结构的应力分布和变形情况，发现结构中的弱点，进行结构的优化设计。

二、航空发动机结构强度优化设计航空发动机结构强度的优化设计是在满足性能指标的基础上，通过改进结构形式、减少重量等手段，提高结构的强度和减少结构的重量。

其主要任务是提高航空发动机的性能、减少成本、延长使用寿命，以及提高其可靠性。

（一）结构形式优化结构形式优化是指通过改变整个结构的形式、大小和布局，以达到最佳设计目标的设计方法。

例如：对内部钢壳和球形部位的的结构以及叶片和桨叶的设计等进行优化。

这样的优化方法可以改变发动机的总体布局，使得发动机的总体性能更加优越，结构强度更强。

（二）减少结构材料将合适的工程材料选用在正确的位置，能够使结构最大限度地发挥其强度，而不会过度使用曾经高成本的材料。

例如，使用更轻量化的材料，如复合材料或轻合金等，以减少结构中的重量以及最大限度地发挥其强度。

（三）降低外部能减轻负荷在设计航空发动机时，需要考虑在飞行期间不同条件下对其可能产生的负荷。

通过在空气动力设计中的应用，减少机身周围的风阻可以降低外部负荷，这样可以减少该问题对结构的影响。

通过以上这些优化技巧，就可以制造出更轻而强度更大的航空发动机，从而满足空中运输的需求，优化设计可以大大提高其性能及使用寿命，减少解体和故障的风险，使航空运输更加安全。

Dynamical Systems and Control 动力系统与控制, 2023, 12(3), 165-172 Published Online July 2023 in Hans. https:///journal/dsc https:///10.12677/dsc.2023.123018基于Workbench 的航空发动机双辐板涡轮盘 强度分析及结构优化屈帅镔1*，胡宋健1,2，郝方周1，陈 航1，陈嘉骏1，宋 超31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 要应用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。

关键词双辐板涡轮盘，航空发动机，参数化结构优化，强度分析Workbench Based Strength Analysis and Structural Optimization of Twin Spoke Turbine Disks in Aircraft EnginesShuaibin Qu 1*, Songjian Hu 1,2, Fangzhou Hao 1, Hang Chen 1, Jiajun Chen 1, Chao Song 31School of Aircraft Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang Jiangxi2Department of Mechanics and Aerospace Engineering, Southern University of Science and Technology, Shenzhen Guangdong 3General Aviation (Civil Aviation) College, Nanchang Hangkong University, Nanchang JiangxiReceived: Jun. 20th , 2023; accepted: Jul. 11th , 2023; published: Jul. 21st , 2023*通讯作者。

西北工业人学硕士学位论文第三章（２）采用大枞树形榫头榫槽；（３）涡轮盘的前后端面还有轴向凸边，凸边外缘车有封严蓖齿，在涡轮盘的前面有加装平衡块的径向凸缘，凸缘上钻有小孔。

３．３．２涡轮盘的有限元计算模型１．实体模型的建立为了减少计算时间，提高效率，切去封严蓖齿及凸缘上的小孔。

涡轮盘在结构上呈现旋转周期性（捌，即绕其转轴转动口＝２ｎ，／Ｎ（Ｎ为叶片数）角度后，结构的几何形状和转动前完全一样。

取５．２９。

的扇形对称体进行三维有限元计算，这样在该扇区沿周向拷贝６８份之后，恰好为整个涡轮盘。

涡轮盘的计算模型在ＵＧ中建立，整体轮盘模型如图３．１所示；取其１／６８扇形区域如图３．２所示。

计算坐标系采用柱坐标系，其中ｘ轴表示涡轮盘的径向，Ｙ轴表示周向，ｚ轴表示轴向，坐标原点位于轮盘形心。

图３．１整体涡轮盘模型图３．２１／６８扇形区模型２．有限元网格的划分由于涡轮盘的形状不规则，因而使得对模型进行的有限元划分变得十分困难。

在圆角过渡等区域经常出现包含奇异角的单元，在计算过程中会在造成刚度矩阵奇异．使计算失败，这就需要手工划分来避免奇异单元的产生。

而且，在划分时，容易产生应力集中的区域采用较密的网格，同时为了减少单元的数量，需要进行疏密过渡。

在模型划分好后，仔细检查模型是否有缺陷存在，若塑！！三些查兰堡主兰堡堕塞堑三童模型中包含了不为人知的单元空洞、重合节点等缺陷，会造成计算结果不准确，严重的还会使计算根本偏离了预期方向，甚至使计算进行不下去。

对于涡轮盘的有限元网格均采用六面体八节点单元。

考虑到轮盘比较复杂，为了能够划分六面体单元，对涡轮盘的实体几何模型进行了分割，其中涡轮盘轮缘以Ｅ榫槽部分分割为１８个体，划分为５４６个单元，１１４３个节点，如图３．３所示；轮缘以下部分分割为２０个体，划分了１０７０个单元，１６０３个节点，如图３．４所示。

（ａ）儿何模型（ｂ）有限元模型幽３．３涡轮盘榫槽部分有限元模型（ａ）儿何模型（ｂ）有限元模型图３．４涡轮柱扇区有限元模型３．４涡轮盘的材料参数该型发动机涡轮盘采用ＧＨ４１６９合金材料，它是以体心四方的广和面心立方的／相沉淀强化的镍基高温合金，在一２５３～７００。

机械结构的强度分析与优化设计机械结构是机器的各个部分之间连接和支撑的重要部分，其质量和强度直接影响机器的出现和使用寿命。

机械结构的强度分析与优化设计是机械设计过程中非常重要的环节。

本篇文章将探讨机械结构的强度分析与优化设计，希望能够为机械工程师在设计机械结构时提供一些有益的建议。

一、机械结构强度分析的基本原理机械结构强度分析的基本原理是通过对机器的受力分析，计算机械元件的应力，然后比较应力与材料的允许应力，确定机械结构是否能够承受所受力的大小。

强度分析的目的是确定机械结构及各机械元件在设计承受及超负荷工况时的强度，确定机械结构是否安全可靠，是否满足使用要求。

主要分为静力学分析和动力学分析两种方法。

二、机械结构优化设计的基本原理机械结构设计的目的是使机械结构在满足强度和刚度等基本要求的前提下，尽可能节约材料，减小成本，提高机器的运行可靠性和经济性。

机械结构的优化设计根据机械结构的使用要求，通过对机械结构的优化设计，使得机械结构在实现其功能的基础上，达到材料使用效率的最大化。

三、机械结构强度分析与优化设计流程机械结构的强度分析与优化设计流程包括如下几个方面。

1.受力分析：受力分析是机械结构强度分析的第一步。

在分析机械结构受力情况时，要确定每个部件所受的力、方向、大小及工况等。

2.应力计算：在受力分析的基础上，通过应力计算确定机械结构各元件的应力大小。

应力计算通常采用有限元分析的方法，快速有效的计算出结构应力和变形，为后续设计提供分析依据。

3.是否满足强度要求：根据计算的应力值和材料强度值进行对比，判断机械结构的强度是否满足要求。

4.优化设计：在满足强度要求的条件下，对机械结构进行优化设计，目的是减少结构重量和成本，提高材料利用率。

5.再次强度校验：在进行优化设计后，再次进行强度分析，验证结构的强度是否能够满足使用要求。

四、机械结构强度分析与优化设计的注意事项1.受力分析要保证准确：机械结构的强度分析必须要先确定机械结构的受力情况，力的大小、方向等需要准确测量，另外还需考虑使用过程中的各种情况（如震动、冲击等）。

复杂工况下的机械结构强度评估与优化设计导言：机械结构的强度评估与优化设计是工程领域中至关重要的任务。

在复杂工况下，机械结构所面临的挑战更加严峻，如何准确评估结构的强度，并进行合理的优化设计，是提高机械设备性能和延长使用寿命的关键。

本文将从不同的角度，介绍复杂工况下机械结构强度评估与优化设计的方法和技巧。

一、强度评估方法1. 理论计算方法理论计算是机械结构强度评估的基础，主要以材料力学理论和结构力学理论为支撑。

通过对结构受力分析，应变分析和应力分析，使用强度准则判断结构强度是否满足设计要求。

理论计算方法的优点在于简单快捷，但对于复杂工况下的结构，其模型假设过于简单，无法考虑到多种因素的综合作用。

2. 数值仿真方法数值仿真方法可以有效地考虑到机械结构的实际工作状态和复杂工况，比如载荷情况、温度变化、非线性等因素。

有限元分析是最常用的数值仿真方法之一，它将结构离散化为有限个单元，通过求解结构内部应力和位移的方程，得到结构的强度分布。

数值仿真方法的优点在于能够较为准确地考虑到细节情况，但也需要在模型构建、边界条件和网格划分等方面进行合理的选择和处理。

二、应对复杂工况的设计优化1. 材料选择优化针对复杂工况下的机械结构，选择适当的材料是提高强度的一项关键措施。

通过对不同材料的特性进行评估和对比，选择具有较高强度和耐久性的材料，同时考虑到成本和可制备性等因素。

此外，还可以通过材料改性和复合材料等方式来提升结构的强度。

2. 结构拓扑优化结构的拓扑优化是指在给定边界条件下，通过调整结构的形状和连接方式，以实现结构的最佳强度。

通过对结构进行删优和加优的操作，去除冗余材料并增加必要材料，使其在保持足够强度的同时，达到最轻量化的设计。

拓扑优化可以通过数值优化算法来实现，如遗传算法、蚁群算法等。

3. 多学科优化复杂工况下的机械结构还需要考虑到多个学科的综合优化。

例如，在飞行器结构设计中，需要考虑结构的强度、空气动力学、热传导等多个学科因素。

挠性结构的优化设计与振动控制研究挠性结构是一种能够在外力作用下弯曲和挠曲的结构，广泛应用于桥梁、建筑、飞机和汽车等领域。

随着科技的发展和对结构性能要求的提高，挠性结构的优化设计与振动控制成为研究的热点。

一、挠性结构的优化设计挠性结构的优化设计旨在找到最优的结构参数，使得结构在满足一定约束条件下具有最佳的性能。

优化设计方法有很多，如遗传算法、粒子群优化算法和模拟退火算法等。

挠性结构的优化设计过程涉及到多个因素，包括结构材料的选择、几何形状的优化、约束条件的设置等。

例如，在桥梁设计中，优化设计可以通过选择合适的材料、减小自重和提高刚度来提高结构的承载能力和抗震性能。

二、挠性结构的振动控制挠性结构的振动控制是为了减小结构振动对结构自身及其周围环境的不利影响，提高结构的稳定性和安全性。

振动控制方法有主动控制、被动控制和半主动控制等。

主动控制是利用主动力学系统实时感知结构振动状态，并对结构施加力，以达到降低结构振动的目的。

被动控制是通过在结构上安装阻尼器或质量控制器等被动元件，通过吸收、扩散或转移振动能量，来减小结构振动的幅度。

半主动控制则结合了主动控制和被动控制的特点，通过调节控制力的大小和方向，来实现对结构振动的控制。

挠性结构的振动控制研究需要详细考虑结构的动态特性和振动模态，采用合适的控制策略和控制器设计，结合实测数据和数值模拟进行验证。

三、优化设计与振动控制的关系优化设计与振动控制是紧密联系的。

优化设计可以提高结构的刚度和减小质量以降低结构振动，从而为振动控制提供了基础。

同样，振动控制可以通过调整结构参数、改变结构材料和设置振动抑制元件等方法，来优化结构设计及其性能。

例如，在航空工程中，通过对飞机结构的优化设计，在保证结构强度的前提下减小结构质量，降低飞机的振动响应，提高飞行安全性和乘客舒适度。

优化设计与振动控制的研究还可以结合其他领域的知识，如材料力学、结构力学和控制工程等，为实际工程问题提供创新的解决方案。

某发动机左后盖受力分析作者：邓定红胡军峰彭北京1 前言发动机箱体结构强度历来是设计和开发人员关注的焦点之一。

作为本公司全新设计的某型发动机，不仅仅在排量上与原样机不同，在结构上也做了很大的改变，尤其是在发动机箱体部分。

箱体在发动机工作过程承载着所有的支撑力，其中最主要的是对曲轴的支撑力和对传动链轮轴的支撑力。

本文主要对钱江公司某型号发动机左后盖上链轮轴受到冲击力时的强度进行分析，以判别其结构强度是否满足要求，并进行了结构优化。

2 发动机左后盖的受力分析如图1所示，在该型发动机的左后盖上，有两个重要的受力孔：一是主轴孔，主轴是传递曲轴输出扭矩的第一级传动；二是链轮轴孔，链轮不但把发动机扭矩输出传递给整车，同时还将整车行驶时受到的随机冲击力传递给发动机箱体。

在有限元分析之前，先计算在极端情况下轴承孔位置的受力情况。

考虑发动机工作时产生冲击力最大的情况：当摩托车以最大车速在路面上正常行驶，由于突然意外事故，后轮紧急刹车。

假设此时后轮完全固定，则齿轮传动完全停止；并进一步假设曲轴最主动齿轮轴仍然承受最大扭矩，在这两个极限假设下计算轴承位置的力矩和力。

实际上，此步骤将动力学问题简化为静力学问题，并且考虑了动力学的极限情况，因此，理论上计算结果是趋于保守的。

由图2可知整个发动机的传动机构由以下部分组成：一、曲轴上的主动齿轮；二、主轴上的传动齿轮，主轴上的主动齿轮；三、链轮轴上的传动齿轮和链轮。

曲轴上的齿轮将发动机工作力矩传递到变速箱主轴，主轴再通过变速齿轮传递到链轮轴上。

由机械设计理论可知，齿轮在转动力矩的作用下，产生一个切向力和径向力，切向力的主要作用是对齿轮产生力矩，径向力对轴承作用了一个压力。

进一步根据材料力学可以计算出链轮孔和主轴孔的受力大小和方向。

图1 左后盖受力孔图2 发动机传动机构示意图3 有限元计算3.1 有限元模型对发动机左后盖进行有限元网格划分，采用10节点4面体单元(图3)，单元数237479，节点数56334。

某型汽车发动机结构优化与性能分析引言汽车发动机是汽车的核心部件，其结构优化和性能分析对于提高汽车性能和燃油经济性具有重要意义。

本文将对某型汽车发动机进行结构优化和性能分析，探讨其在提高燃油经济性、减少排放等方面的优势。

一、发动机结构优化1.1 气缸结构优化某型汽车发动机采用了多气缸设计，通过降低每个气缸的排量，可以提高燃烧效率和动力输出，从而达到减少燃油消耗的目的。

此外，采用铝合金材料制造气缸头和气缸体，不仅可以减轻整车重量，提高操控性能，还可以提高散热效果，延长发动机寿命。

1.2 进气系统优化某型汽车发动机使用了进气歧管和可变长度进气道技术。

进气歧管的优化设计可以提高进气效率，增加燃料燃烧效果，从而降低燃油消耗和排放。

而可变长度进气道能够在不同转速下调整进气道长度，优化气缸充气效果，提高动力输出和燃烧效率。

1.3 燃烧室结构优化某型汽车发动机的燃烧室采用了直喷技术。

直喷技术可以实现更精准的燃油喷射和更高的压缩比，从而提高燃烧效率和动力输出。

此外，通过优化燃烧室形状和喷油策略，可以降低燃料的散失和热损失，提高燃油经济性。

二、发动机性能分析2.1 动力输出某型汽车发动机在结构优化的基础上，优化了气缸工作行程和曲轴设计，提高了气缸压缩比和爆发力。

这些改进使得发动机在不增加排量的情况下，能够实现更高的功率输出和更强的加速性能。

2.2 燃油经济性结构优化和技术改进使某型汽车发动机的燃油经济性得到了显著提高。

通过减小发动机排量、优化燃烧室结构和喷油系统，降低了燃料消耗率。

同时，采用轻量化材料和提高空气动力学性能，减少了整车的空气阻力，进一步提高了燃油经济性。

2.3 排放性能某型汽车发动机在结构优化的同时，引入了先进的排放控制技术。

采用高效的三元催化器和颗粒捕捉器，有效地降低了排放物的含量。

此外，通过优化燃烧室、进气道和排气道，使得废气排放更加干净，达到了更严格的排放标准。

结论某型汽车发动机通过结构优化和性能分析，实现了在燃油经济性、动力输出和排放性能等方面的显著提升。

航空发动机轮盘参数化结构优化作者：罗莉黄大永陈亚龙王克菲李杰来源：《计算机辅助工程》2017年第02期摘要：为降低航空发动机轮盘的质量，提高发动机推质比，对发动机转子轮盘进行参数化结构优化设计.研究辐板不同高度处厚度与轮盘径向破裂裕度的关系，以简化轮盘辐板优化方法.以周向破裂转速裕度为约束条件，体积最小为优化目标函数，利用Isight软件和有限元数值模拟方法研究轮盘盘心优化方法，并通过算例计算验证其正确性.结果表明：在满足约束条件的基础上，轮盘体积减小8.66%，最大等效应力减少10.4%.该方法可为航空发动机轮盘轻量化开发提供参考.关键词：航空发动机；轮盘；辐板厚度；破裂裕度；破裂转速；等效应力；约束；体积中图分类号： V232.4文献标志码： BAbstract： To reduce the aeroengine disk mass and improve the thrust to weight ratio of engine， the parameterized structural optimization is performed on an engine rotor disk. The optimization method of disk web is simplified by researching the relation between web thickness in different heights and radial burst margin of disk. Taking circumferential burst speed margin as the constraint condition and minimum volume as optimization objective function， Isight software and finite element analysis simulation is used to study disk center optimization method， and an example is calculated to verify its correctness. The results show that， on the basis of satisfying constraint condition， the disk volume is reduced by 8.66% and the maximum equivalent stress is reduced by 10.4%. The method can provide reference for the lightweight development of aeroengine turbine disk.Key words： aeroengine； turbine disk； web thickness； burst margin； burst speed；equivalent stress； constraint； volume0引言轮盘是航空发动机重要的安全关键件之一，在高转速、高温度、高压力的恶劣条件下工作.轮盘的转速一般都达到每分钟数千转到数万转，负责固定叶片的轮盘除要承受自身的离心力外还要承受叶片的巨大离心载荷.由于叶片和轮盘的离心载荷很大，需要较大的盘心承受，所以轮盘设计得比较重.以高压涡轮为例，其单盘的质量能占到整个高压涡轮部件总质量的50%.由于涡轮盘质量巨大，其一旦破坏，产生的高能碎块是任何机匣都无法包容的，因此为保证涡轮盘的可靠性，其设计也不得不保守.随着优化技术的发展以及市场对产品效率的要求越来越高，对轮盘的轻质化设计需求也越强烈.早期国内有开展整体叶盘的设计研究[13]，随着焊接技术和材料研究的发展[45]，轻质化轮盘的优化方法又有双辐板轮盘设计的研究方向[69]，但国内实际工程应用，依然是单辐板为主要设计形式.榫槽形状的优化也是轮盘优化的一种有效途径[10].考虑到多辐板涡轮盘的加工制造存在较高的技术要求，基于国内现有的成熟加工能力，本文从工程应用的角度考虑，对分体盘盘体寻求一种简洁、高效的优化设计方法.1轮盘结构优化设计思路轮盘破裂对发动机的破坏程度极其严重，而且是非包容性的.为防止轮盘破裂，轮盘的优化设计以轮盘的破裂转速储备裕度为限制条件.对于高速旋转的轮盘而言，径向破裂裕度和周向破裂裕度是轮盘安全性的2个重要指标.径向破裂裕度最薄弱的区域为辐板，因此当轮盘的径向破裂转速有一定的裕度时，可以适当减薄辐板位置的厚度，通过降低径向破裂转速的裕度达到减重的目的.根据周向破裂裕度的计算方法[1112]可知盘心和辐板为周向破裂裕度的计算区域，而盘心是承载周向载荷的重要区域，因此，对轮盘的优化考虑采取2步：第一步对辐板优化，第二步对盘心优化.以轮盘的破裂裕度为约束条件，优化轮盘设计.破裂转速的计算方法采用常用的平均应力法和有限元方法.破裂转速储备裕度的计算公式[1112]为Mburst=mσUTSσAVGTan式中：m为材料利用系数；σUTS为平均工作温度下的材料强度极限；σAVGTan为平均周向应力或平均径向应力.2轮盘辐板优化2.1幅板各高度处厚度变化交互影响研究辐板的径向载荷主要由喉部以上结构的离心力产生，辐板自重对辐板的径向载荷影响较小，假定辐板某个高度处的厚度只对此高度处的径向破裂储备有影响，由于厚度变化而导致的离心载荷变化可以忽略，辐板各高度处的厚度对其他高度处的平均径向应力的影响可以忽略不计，幅板各高度处厚度变化无交互影响.轮盘辐板的A～D位置见图1，通过HyperMesh的Morph功能，逐渐减少辐板高度A处的厚度，计算轮盘辐板B，C和D处的径向破裂裕度，见图2.从图2可以看出，轮盘高度A处的厚度变化对B，C，D处的径向破裂储备影响非常小，因此可以认为对于径向破裂裕度，幅板A高度处厚度变化对B，C，D高度处无交互影响.2.2辐板厚度变化与径向破裂裕度的关系在轮盘的辐板上选取不同高度为handle 1，handle 2，handle 3，handle 4，handle，5和handle6 等多处截面，见图3.以每个截面高度处的辐板厚度为参变量，计算每个截面高度不同厚度的径向破裂转速储备.以辐板厚度的减少量为横坐标，径向破裂裕度为纵坐标绘制曲线，可以得到各处辐板厚度减少值与对应高度的径向破裂裕度关系.进而拟合辐板优化的曲线见图4.由图4可知，在辐板区域范围，对应高度处的厚度变化与径向破裂裕度近似成线性关系为f（x）=ax+b （1）在辐板喉部，厚度参数变化与径向破裂裕度的线性关系匹配度较高；在接近盘心的部位，厚度参数变化与径向破裂裕度的拟合曲线为多段折线线性关系，例如handle 7处的辐板优化拟合曲线不再是一条直线.然而，轮盘的最小径向破裂裕度发生的位置是辐板的喉部位置，这个位置的辐板厚度最小，因此轮盘辐板的优化可以采用线性公式.2.3辐板优化算例以某轮盘为算例，辐板优化步骤如下.（1）基于HyperMesh网格模型，开展参数化建模.该方法在网格变化的同时，温度场随之变化，可减少温度场的反复迭代和反复分网过程.（2）研究辐板厚度变化与径向破裂裕度的关系，获取优化拟合曲线.（3）基于ANSYS环境进行有限元计算和后处理分析.优化设计流程见图5.对轮盘原设计结构进行有限元建模，采用带中节点的四边形单元SOLID183.模型中的几何形状和载荷条件满足轴对称条件的位置采用轴对称单元，榫接位置采用带厚度的平面应力单元.边界条件约束辐板右侧，见图6.轮盘温度分布范围为450～500 ℃，呈径向梯度分布，见图7.转子叶片位置采用质量单元MASS21模拟叶片离心力.轮盘的材料为FGH96合金[13]，密度ρ=8.32×103 kg/m3，泊松比为0.311.在轮盘辐板不同高度位置，通过改变各位置的参数值，计算轮盘的各点平均径向应力与径向破裂裕度.根据辐板优化的拟合方程，获取各高度处a和b的值，见表1.径向破裂储备目标设为1.4，通过辐板优化的拟合方程，可以获得辐板各高度处的可减少厚度值.优化后的辐板模型见图8.优化后辐板的最大等效应力水平相当，应力分布趋势相似，见图9和10.轮盘辐板优化前后的计算结果见表2.优化后的轮盘体积减少6.77%，径向破裂裕度由1.540减少到1.400，满足优化设计约束条件.优化后，轮盘的周向破裂裕度未明显变化，与原始模型的周向破裂裕度相当.3轮盘盘心优化轮盘盘心是轮盘周向破裂裕度影响的重要因素.盘心优化流程见图11.以盘心不同高度位置的厚度为参数，建立有限元模型.通过试验设计方法确定参数取值和样本点，变化盘心的几何形状进行仿真计算.以盘心的体积为优化目标，以盘心的周向破裂裕度为约束条件；通过Isight软件中的优化算法分析计算结果，获取优化的参数值；最后以优化参数值建立模型，完成有限元求解，验证优化参数的正确性.4盘心优化算例在优化后辐板模型的基础上开展盘心优化，以盘心厚度为参变量，见图12.参数P1～P6变化范围为-5～+5 mm，以周向破裂裕度大于1.297为限制条件，以体积最小值为优化目标.通过试验设计确定样本点的值，采用HyperMesh的Morph功能生成有限元模型，完成各样本的有限元计算.根据各样本点有限元计算结果，在Isight软件中获取输入变量与输出变量的相关性.各变量对破裂裕度和体积的影响分别见图13和14.由此可以看出：P3对优化目标体积和约束条件破裂裕度影响比重都较大.在要保证约束条件的情况下减小体积，需要选择对约束条件不敏感、对优化目标影响大的参数，进行较大调整.为较精确地找到全局最优点，采用多岛遗传算法[1415].多岛遗传算法是在传统遗传算法的基础上，基于群体分组的并行性遗传算法.多岛遗传算法将整体种群划分为若干子群，并将子群隔绝于不同的“岛屿”上，各个子群独立地进化，而非全部种群采用相同的进化机制，并且各个“岛屿”间以一定的时间间隔进行“迁移”，使各个“岛屿”间进行信息交换.多岛遗传算法能够有效地提高运算速度，并且若干独立进化的子群可提高整个种群的遗传多样性，回避传统遗传算法的早熟现象，有利于找到全局最优解.通过多岛遗传优化算法，获取各变量的取值，建立盘心优化后的有限元模型.原始模型与优化完成后的模型对比见图15.模型优化前、后的应力云图对比见图16～19，计算结见表3.与原始模型相比，优化后模型的最大等效应力减少.由图18和19可知，优化前后方案轮盘周向破裂最大应力均发生在盘心位置.由图19和表3可知，优化后的轮盘最大周向应力为1 040 MPa，增加0.7%，周向破裂裕度满足大于1.297的约束条件.优化后的轮盘质量减少8.66%，径向破裂裕度由1.540减少到1.400，周向破裂裕度由1.299减少到1.297，满足约束条件.由表3可知，盘心优化后模型的径向破裂裕度与辐板优化后模型的结果相同，均为1.400，盘心的形状改变未影响轮盘的径向破裂裕度，因此轮盘分步骤开展优化工作可行并高效.5结论本文以轮盘为研究对象，以轮盘厚度为参变量、破裂裕度为优化限制条件、体积为优化目标，研究轮盘的优化设计方法，得到以下结论.（1）对轮盘的优化可以采用辐板和盘心优化分步开展的方法，以减少优化参变量的个数和类型.本文仅选择厚度作为变量，优化方法高效、简单.（2）幅板各高度处厚度变化对其他高度处的径向破裂裕度无明显交互影响.（3）辐板的减重优化可按照线性拟合曲线，有利于简单、高效完成辐板优化设计，具有一定通用性.（4）辐板厚度的变化对轮盘的周向破裂裕度无明显影响.（5）盘心的优化设计并未影响轮盘承担径向破裂载荷的能力.（6）在满足设计目标的基础上，经过参数化优化，轮盘体积减小8.66%，最大等效应力减少10.4%.该优化方法对轮盘的结构设计具有借鉴意义.后续工作可以在优化后模型的基础上，使轮盘的轮廓过度点更加平滑，减少局部的应力集中，消除几何角点的高应力区域.参考文献：[1]陈光. 整体叶盘在国外航空发动机中的应用[J]. 航空发动机， 1999， 25（1）： 16.CHEN G. 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