航空发动机连接机匣抗冲击能力结构参数限制性优化方法

本发明涉及航空发动机机匣优化，具体为航空发动机连接机匣抗冲击能力结构参数限制性优化方法。

背景技术：

1、大涵道比航空涡轮风扇发动机转子工作在高温、高压和高转速的极限环境下，发动机吸入外物(如吞鸟)、结构过热、高周疲劳及材料缺陷等因素经常导致转子系统破坏。各段机匣通过安装边螺栓连接结构进行连接，连接结构的强度决定了整个机匣的安全性，进而影响到发动机整机性能与可靠性。断裂叶片在飞出时的角度和撞击位置具有随机性，碎片撞击到螺栓连接结构可能会使安装边破裂或螺栓断裂，导致机匣结合面分离。

2、由于带安装边的螺栓连接结构机匣受力较为复杂，为其包容性设计与分析带来一定的难度。因此，机匣安装边螺栓连接结构的抗冲击性能成为机匣包容性研究的重点。目前，国内外针对机匣安装边螺栓连接结构的抗冲击问题研究仍然较少，且缺乏提升其抗冲击能力的优化设计研究。鉴于此，我们提出航空发动机连接机匣抗冲击能力结构参数限制性优化方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供航空发动机连接机匣抗冲击能力结构参数限制性优化方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、航空发动机连接机匣抗冲击能力结构参数限制性优化方法，包括以下步骤：

4、步骤s1、确定影响螺栓连接机匣安装边抗冲击性能的主要结构参数和其取值范围，并对其进行编码变换，得到试验因素水平编码表，生成初始种群；

5、步骤s2、确定基于螺栓能量密度的机匣安装边螺栓连接结构抗冲击性能评价指标；

6、步骤s3、根据航空发动机机匣实际尺寸建立机匣安装边螺栓连接结构三维几何模型，用box-behnken试验设计方法进行响应面试验方案的设计，并根据设计的方案建立有限元模型并设置材料参数与接触定义，计算不同工况的螺栓能量密度，机匣侧面变形量和机匣质量，并建立响应面模型；

7、步骤s4、进行交叉和变异等操作生成新的种群，以螺栓能量密度作为个体的适应度。

8、步骤s5、以机匣侧面变形量和机匣质量作为限制性条件，判断计算结果是否符合限制性条件，如符合直接进入下一步，若不符合则把螺栓能量密度值设定为100倍再进行下一项步骤；

9、步骤s6、建立响应面模型；

10、步骤s7、进行交叉和变异等操作生成新的种群，以螺栓能量密度作为个体的适应度；

11、步骤s8、以机匣侧面变形量小于28mm和机匣质量增量不超过5％作为限制性条件，判断计算结果是否符合限制性条件，如符合直接进入下一步，若不符合则把螺栓能量密度值设定为100倍再进行下一项步骤；

12、步骤s9、根据螺栓能量密度对总体进行筛选，判断是否满足输出条件。

13、优选的，所述待优化的螺栓连接机匣安装边结构参数包括安装边高度、安装边厚度、螺栓直径、螺栓个数和机匣壁厚。

14、优选的，所述步骤2的具体方法为：

15、运用非线性有限元计算软件求解得到机匣安装边螺栓连接结构的螺栓应变能，根据如下公式计算螺栓能量密度：

16、

17、式中db为螺栓能量密度，eb为螺栓在撞击后稳定状态的内能，r为螺栓半径，t为安装边厚度。

18、优选的，所述步骤3中根据设计的方案建立有限元模型，计算不同工况，得出螺栓能量密度、机匣侧面变形量和机匣质量与各结构参数的响应面模型，公式如下所示：

19、lny1＝11.601+1.563t+0.224h-2.184d-1.369n+0.094w-0.040th

20、-0.030td-0.066tn-0.005tw+0.059hd+0.0547hn+0.009hw

21、+0.071dn-0.069dw-0.008nw-0.011t2-0.020h2+0.029d2

22、-0.028n2+0.0168w2

23、y2＝89.85436-4.39726t+0.090110h+0.303555d+0.403034n-17.24801w

24、+0.015725th+0.060374td+0.055397tn+0.125095tw-0.027795hd

25、-0.038102hn-0.005749hw-0.019286dn+0.013721dw-0.001217nw

26、+0.166006t2+0.004370h2+0.000448d2+0.027258n2+1.23426w2

27、y3＝-0.199211+0.021581t+0.016738h-0.024424d-0.031671n

28、+1.18877w+0.003925th-0.001475td-0.0009tn-0.003912tw

29、+1.97015e-18hd+1.70085e-18hn-5.15807e-17hw+0.006659dn

30、-5.65140e-17dw+0.000025nw+0.000974t2-0.000322h2

31、+0.002077d2+0.000386n2+0.000974w2。

32、优选的，所述t表示安装边厚度，h表示安装边高度，d表示螺栓直径，n表示螺栓个数，w表示机匣厚度，y1表示螺栓能量密度，y2表示机匣侧面变形量，y3表示机匣质量。

33、优选的，所述模型中叶片材料采用tc4，机匣安装边材料采用45钢，螺栓材料采用gh4169镍基高温合金，螺母材料采用gh738镍基高温合金；设置叶片以平行于机匣安装边结合面的角度进行撞击，撞击部位为安装边结合处，对叶片施加100m/s的初始速度。同时为防止机匣受到冲击后发生偏移需对机匣上下端面施加固定约束并对各螺栓分别施加10kn的预紧力。

34、优选的，所述用box-behnken试验设计方法进行响应面试验方案的设计，并根据设计的方案建立有限元模型，计算不同工况的螺栓能量，机匣侧面变形量和机匣质量。

35、优选的，所述步骤s9中，如果不满足，则重新进行遗传算法的交叉和变异等操作，满足则输出最优参数值，得到符合限制性条件并且螺栓能量密度最小的参数组合方案。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

37、该航空发动机连接机匣抗冲击能力结构参数限制性优化方法，发明提出的一种提升航空发动机螺栓连接机匣抗冲击能力的结构参数限制性优化方法，全综合考虑了机匣安装边各结构参数对其抗冲击性能的影响，基于响应面法得到了螺栓能量密度，机匣侧面变形量和机匣质量与各结构参数的数学模型，通过设置限制性条件改进传统优化过程，得出了符合限制性条件并螺栓能量密度最小的最优参数组合，优化结果准确可靠，可为机匣安装边螺栓连接结构抗冲击性能的优化设计提供参考依据。

38、该航空发动机连接机匣抗冲击能力结构参数限制性优化方法，以安装边厚度、安装边高度、螺栓直径、螺栓个数和机匣厚度作为优化参数，以机匣侧面变形量和机匣质量为限制性条件，以螺栓能量密度为优化目标，实现对机匣安装边螺栓连接结构抗冲击性能的优化设计。