[發明專利]基于拓撲優化的航空發動機用傳動殼體結構設計方法

有效

• 申請號: 202011314249.1
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112417599B
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發明（設計）人: 趙建亭;王雨龍;徐凌志;余海生;邵伏永
• 申請（專利權）人: 北京動力機械研究所
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/17;G06F111/04;G06F111/06;G06F119/14
• 代理公司: 中國兵器工業集團公司專利中心 11011
• 代理人: 王雪芬

1.一種基于拓撲優化的航空發動機用傳動殼體結構設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、優化空間的建立

在中心傳動殼體外側包裹一層材料，也就是優化空間：在中心傳動殼體的薄弱部位建立了一個設計空間，將中心傳動殼體外表面整個加厚；

步驟2、邊界條件的施加

一、約束邊界條件的施加

根據中心傳動殼體的安裝方式，在中心傳動殼體的六個螺栓安裝孔施加固定約束，限制其六個方向的自由度；

二、載荷邊界條件的施加

根據中心傳動殼體的原始模型工作過程中的振動情況，確定中心傳動殼體的薄弱部位位于中心傳動組件的外側錐齒輪的軸承安裝處，確定載荷位置，在外側錐齒輪的軸承安裝位置施加模擬實際殼體的受力載荷；

步驟3、定義優化方案

在HYPERMESH軟件中，定義的優化空間為殼體表面的設計空間，定義變量為優化空間的單元密度，設定對稱約束，定義優化方案如下：

定義體積分數響應和一階約束模態頻率響應；約束體積分數最大為0.2，目標函數一階模態頻率最大；

設計變量、目標變量和約束條件是結構優化的設計的三要素，設計變量是在設計過程可以變換的參數，通過參數的改變使得結構性能達到最優，目標函數是設計完成之后期望得到的目標，一階模態頻率最大，約束條件是在設計過程中對設計變量的限制條件，約束體積分數最大為0.2；

先以低階固有頻率作為目標函數進行單目標優化，并以體積分數作為約束，最后得到以體積分數作為約束的固有頻率拓撲優化數學模型：

式中：殼體一共分成n個單元，i是其中的一個單元，ρ_i為殼體加強筋第i個單元的相對密度；Λ_j為要優化的殼體第j階固有頻率；N為要考慮的頻率總階數；K為優化前殼體的結構剛度；λ_j為殼體第j階的頻率特征值；M為殼體的質量矩陣；為第j階的正交特征向量；V為優化后殼體的總體積；V₀為優化前殼體的總體積；α為體積分數；v_i為優化后的殼體單元體積；ρ_min為設計變量下限；

步驟4、得到拓撲優化結果

對中心傳動殼體進行優化分析：限制體積分數求最大一階約束模態頻率分析，從而得到優化結果；

步驟5、結構優化后模型分析

根據拓撲優化的結果，對優化模型進行結構尺寸修改，得到改進后的模型方案。

2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括：步驟6、改進后殼體諧響應分析：

對改進后中心傳動殼體進行相同諧響應分析，提取了Z方向位移響應曲線傅里葉變換圖；并得到殼體改進前后諧響應分析結果對比。

3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，還包括：步驟7、瞬態動力學分析：

對改進后的中心傳動殼體進行中心傳動組件的瞬態動力學分析，對比查看拓撲優化后中心傳動組件和原始模型的瞬態動力學分析，查看優化效果。

4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟7包括振動位移分析。

5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，步驟7還包括振動加速度分析。

6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，步驟1中，優化空間的材料參數，即加厚的材料采用中心傳動殼體的原始模型的材料參數：密度為7.85g/cm³，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。

7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，步驟2中，載荷大小為500N，方向沿軸承安裝平面的法向。

8.一種利用權利要求1至7中任一項所述的方法設計得到的航空發動機用傳動殼體結構。

9.一種航空發動機用傳動系統，其特征在于，包括如權利要求8所述的航空發動機用傳動殼體結構。

10.一種航空發動機系統，其特征在于，包括如權利要求9所述的航空發動機用傳動系統。