[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

本發明涉及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，屬于結構優化設計技術領域。本發明設計的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，能夠得到最優的殼體加強筋排布形式，充分發揮了拓撲優化技術的作用，這能保證在不改變傳動殼體主體結構的前提下，提高了中心傳動殼體的強度、剛度和抗振性能，從而提高傳動系統的使用壽命。

技術領域

本發明屬于結構優化設計技術領域，具體涉及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。

背景技術

航空發動機用傳動系統是航空發動機系統非常重要的組成部分，是一種典型的高速旋轉的機械結構件，其主要功能是將發動機的動力傳遞給各個工作系統如發電系統、供油系統等，負責為航空發動機提供電力以及為滑油泵、燃油增壓和供油調節器提供動力傳輸。同時發動機傳動系統工作環境也很惡劣，個別齒輪轉速高達60000r/min，溫度高達200攝氏度以上，在這樣的工況下齒輪嚙合嚙入嚙出沖擊影響也較大，傳動系統在運轉時就會產生劇烈振動，對整個傳動系統的運行狀態帶來極大的影響；在高速高溫工況下，并考慮受載受熱變形情況下，傳動殼體結構薄弱部位的振動變形將難以保證齒輪合理的嚙合狀態，加劇齒輪的嚙合沖擊，影響傳動系統的使用壽命。針對這些問題，有必要利用先進的拓撲優化方法對傳動殼體進行以減振為目的的優化設計。對傳動殼體進行減振設計可顯著提高殼體抗振性能，對提高傳動系統的性能、使用壽命以及降低制造使用成本等具有重要意義。

業內關于傳動殼體結構拓撲優化設計首先采用設計參數集合尺寸多目標優化方法或設計參數的選型優化方法，來獲得結構加強筋的最優形式和參數尺寸；然后在此基礎上利用拓撲優化的方法，去除多余方法達到減振設計。其中設計參數幾何尺寸多目標優化方法往外著重于在給定加強筋的結構上進行尺寸優化，沒有尋找符合結構邊界條件下多具有的最優結構形式；設計參數的選型優化方法通過設計不同類型的加強筋形式，并通過各種形式的性能第一步選擇出最優結構，而這種結構還有改進的余地，并不是真正的最優結構。上述方法并沒有發揮拓撲優化技術的作用，僅只是確定加強筋形式后簡單的優化處理，發揮不出結構最優減振性能。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是：如何對航空發動機傳動系統殼體進行結構改進，以達到傳動殼體減振的目的，可顯著提高傳動系統的性能和使用壽命，降低制造使用成本。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了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，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；