航空發動機強度設計系統建設與應用

辛志東 聶彥平 路天樂

摘 要：結構強度的設計是航空發動機設計和開發的重要組成部分。為了建立適合航空發動機強度設計的系統平臺，根據航空發動機設計系統建設要求和航空發動機強度設計的實際工作，提高設計能力，提出了“過程驅動和部件集成”平臺建設思路，通過在系統構建過程中執行過程模型帶來的任務，實現電阻設計系統的工程應用，能夠有效地利用方法 圍繞適用性、易用性和實用性的指導思想構建和優化強度設計系統，構建適合強度設計專業的設計系統，重點解決將工作流程、設計資源、任務、數據管理與系統應用到強度設計中去進行模型開發。

關鍵詞：強度設計;設計體系;要素集成;流程模板;航空發動機

前言

航空發動機是飛機上最重要的部分之一，被人們稱為“皇冠上的寶石”，它對飛機的性能、經濟性及可靠性有著重要的影響，能夠很直觀的體現一個國家的綜合國力。目前，世界上只有少數國家能夠獨立研制航空飛機，能獨立研制高性能航空發動機的國家只有美國，英國，俄羅斯等幾個國家，可見航空發動機的技術門檻很高。航空發動機的發展是航空動力學、傳熱、燃燒、固體力學、材料科學和電子技術等學科共同發展的結果。航空發動機是一種高溫高速機械產品。結構強度的設計對其性能和可靠性具有非常重要的影響，并且與材料和制造工藝密切相關。分析了發動機結構的發展趨勢和強度分析技術的研究方向，以及強度分析技術的發展與材料之間的相互依存關系和相互作用。

今天的航空發動機結構要按靜態極限（和屈服）強度、發動機結構的疲勞強度（裂紋起裂）、結構的動強度、受損傷結構的剩余靜強度、動強度、受損傷結構的疲勞壽命（檢查時間間隔）、熱應力等進行分析和設計。

一、航空發動機設計保護準則

1.渦軸發動機的動力渦輪

在動力渦輪軸異常斷裂的情況下，由于負載迅速減少，氣體繼續在動力渦輪葉片上工作，動力渦輪轉子轉速迅速提高，可能導致渦輪盤沿中午表面斷裂，高速盤斷裂可能釋放大量能量，造成破壞如果渦輪葉片的某些部位安裝了保護圈，它可以保證渦輪轉子的正常運轉，并在車輪斷裂前斷裂。刀片破了以后，她失去了工作能力同時，在不平衡力的作用下，轉子和定子之間會有接觸間隙，從而降低動力渦輪的轉速。由于渦輪機外殼可能包含飛盤，因此可以避免災難性的損壞。這種保護特別適用于多引擎飛機。

2.油泵的輸入軸

輸入軸將功率傳遞給油泵。如果由于某種原因（例如油泵進入油泵時）鎖定金屬外殼，如果油泵輸入軸的力過高，油泵將繼續強制工作，油泵中的摩擦磨損會增加金屬外殼，這可能會導致因此，油泵進口軸的中心段直徑相對較小，設計目的應是：在正常情況下，進口軸應具有足夠的力將功率傳遞給油泵，以便油泵正常工作。在異常情況下，如星形，油泵必須在損壞前失效，因此不能繼續向油泵輸送功率。在這種情況下，可以通過簡單維護使油泵恢復正常運行，從而提高成本效益。

二、關鍵技術實現

1.流程模板的建立與持續完善

發動機強度的設計過程反映在航空發動機的整個開發階段。這些項目包括軟件、規格、說明、文檔模板、清單等，存儲在系統庫中。在創建新模型時，這些元素按鏈接進行調用，以確保數據的唯一性和可用性。最后，應用于項目的流程模板是系統的核心。指派任務并指定掃描任務類型后，您可以標識唯一的流程模板，并指定唯一的規范、說明、文檔模板和工作流。使用流程模板，可以在規劃、分發、執行和報告的所有級別上控制工作的準確性和標準化。然后，系統會改進工作流模板中多個小版本的工作方式。它制定相關的實施規則，同時進行個性化的故障排除、測試和前期設計模型研究，基本上保證了模型整個研發周期的復蓋范圍，結果應用于科學研究。強度設計系統的建立間接有助于建設構成部分和平臺，并在實施過程中幫助建設和分享強度設計系統的成果。

2.以流程為牽引的工作任務模式實現

當經理/團隊負責人指派任務時，在識別流程模板時指派唯一的規范、策略、文檔模板和流程。設計者使用工藝步驟作為執行項目，使用校驗表作為控制項目，使用說明、規范、基準作為指導項目，使用規范和精確的力設計任務，同時提高生產率。在系統中，任務根據工作要求進行轉移，以滿足實際工作要求。在設計者工作時，項目經理/團隊經理可以同時檢查當前項目的組成、完成情況和質量狀態。

3.強度設計

在工程數據庫構建過程中，生成的數據作為技術數據直接構成數據庫。根據強度設計的要求，系統中有一個強度設計數據庫、一個故障數據庫和一個基于強度設計數據繪制結果的測試數據庫。要管理的資料會儲存在適當的資料庫中，并可儲存在不同的元件和分析程序中。（1）力設計數據主要包括：原始設計輸入、幾何模型、有限元網格模型、載荷信息、仿真結果、關鍵結果、分析報告等。儲存的資料可能會因元件和分析程序而異。（2）強度故障排除數據主要包括程序數據、故障類型、故障時間、故障報告等重要故障排除信息。（3）強度試驗數據主要包括強度試驗的原始數據、試驗規范、試驗總結報告等。

4.可動態擴展的數據庫技術實現

（1）工藝模型可根據不同設計階段的不同設計特點快速調整，并可涵蓋發動機整個壽命周期的強度設計活動，包括設計、布置、試驗和預設計。與此同時，新的知識和經驗可以迅速融入這一進程，從而促進知識的積累、傳播和應用。（2）數據樹最初只包含基本框架。正式使用將根據開發的模式增加。當有新模板可用時，可以從類似的模板結構快速生成該模板，以滿足工作和隱私要求。按照強度設計標準9大施工規程，滿足專業調整需要。（3）資源池可以快速擴展和適應實際使用需求，以適應資源數量和類型的不斷增加。（4）系統枚舉條目可以根據需要擴展，不會因系統僵化而引起二次開發問題。在構建電阻設計系統時，應事先對電阻設計系統與研發集成平臺及其他系統之間的集成解決方案進行研究，以便為系統的進一步集成提供技術支持，同時考慮到系統之間的數據交換。

結束語

綜上所述可知，航空發動機強度設計系統是航空發動機設計系統的一個重要組成部分。隨著設計系統平臺的建立，強度設計將包括以流程為導向的活動、對規格/準則的參考、核對表和各種模式限制，以及由經驗數據庫支持的高標準技術活動。這有助于提高強度設計的技術水平和管理水平，提高設計成功率和工作效率，最終實現穩步有序地提高結構強度設計能力的目標。

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