弧形燕尾榫结构设计及形状优化

第26卷第6期2011年6月

文章编号:1000-8055(2011)06-1295-06

航空动力学报

JournalofAerospacePower

Vol.26No.6

Jun.2011

弧形燕尾榫结构设计及形状优化

吕辉停,郝艳华,黄致建,吴福仙

(华侨大学机电及自动化学院,福建厦门361021)

摘 要:为了设计弧形燕尾榫结构,对弧形燕尾型榫及叶片/榫头连接部位的三角过渡段进行研究,设计一种新的叶根型线.在上述工作基础上,建立了叶根型线与榫头顶面的尺寸约束关系,利用ANSYS软件建立叶片/榫头参数化模型,并开展榫头结构及叶根型线的优化设计,结果表明优化后的新结构叶背处的应力为827.11MPa,比原结构下降6.51%;新结构的叶片/榫头质量为0.86942kg,比原结构下降1.85%;新结构叶背喉部、叶盆喉部、叶身的应力分布比较均匀,三者之间应力梯度较小.综上所述,优化后的叶根型线结构比原叶片/榫头结构叶根型线结构更好.

关 键 词:弧形燕尾型榫;三角过渡段;叶根型线;尺寸约束;优化设计中图分类号:V21512 文献标志码:A

Structuredesignandshapeoptimizationinarcdovetail

LBHu-iting,HAOYan-hua,HUANGZh-ijian,WUFu-xian

(CollegeofMechanicalandAutomation,HuaqiaoUniversity,XiamenFujian,361021,China)

Abstract:Inordertodesignthestructureofarcdovetail,andanalyzearcdovetailandtriangletransitionstructureinthejointofbladeanddovetail,anewtypeofbladeprofilewasdesigned.Basedonaforementionedwork,sizeconstraintrelationsbetweenthebladeprofileanddovetailpstopfacewerebuilt,thebladeanddovetailpsparametermodelwascrea-tedusingANSYSsoftware,andthebladeprofileanddovetailpsstructurewereoptimized.Theresultsindicatethattheoptimizedbackstressofthenewstructureis827111MPa,downby6151%thantheoriginalstructure;thequalityofnewstructureoftheblade/dove-tailis0186942kg,downby1185%thantheoriginalstructure;thedistributionofstressismoreuniformandstressgradientissmalleramongdorsalthroat,leavesbasinthroatandleavesbody.Onthewhole,thebladeprofileofoptimalbladeanddovetailstructureisbet-terascomparedwiththatofinitialbladeanddovetailstructure.

Keywords:

arcdovetail;triangletransitionstructure;bladeprofile;sizeconstraint;optimizationdesign

的

[5-6]

由于发动机燕尾型榫头承受叶片质量离心力和气动力的合成弯矩,同时还要考虑榫头/榫槽的

接触应力[1-4],使榫头/榫槽连接部分产生较为严重的应力集中.据统计资料表明,航空发动机故障中高达20%是由于榫头/榫槽结构失效引起

收稿日期:2010-05-24;修订日期:2010-10-23

.文献[7]选取榫头齿颈宽和齿面倾斜角为

设计变量,对某发动机燕尾型榫头/榫槽接触结构

进行了可靠性形状优化分析.文献[8]以榫头造型参数为设计变量,以最大应力为目标优化榫头参数.文献[9]对榫头型面进行优化设计.以上都是

作者简介:吕辉停(1985-),男,福建厦门人,硕士生,主要从事计算机辅助设计与分析.

通讯作者:郝艳华(1962-),女,研究员,主要从事计算机辅助机械设计研究.E-mail:haoyh@http://

只通过优化榫头截面结构尺寸来降低榫头喉部最大应力,没有考虑榫头的轴向形状、叶片与榫头的相对位置关系及叶片/榫头质量等问题,因而不能准确地反映叶片/榫头的应力状况和发动机的综合性能.

本文研究的是大涵道比的涡轮风扇发动机中的弧形燕尾型榫.该榫连接类型已经在英国罗尔斯#罗伊斯公司的发动机上使用,如RB211-535E4等发动机.在这类榫连接中,榫头顶面的外形基本做成与叶根型面的外形一致而呈圆弧,因此本文根据叶片与榫头连接部位的三角过渡段结构(如图1所示)不影响气动性能的特点,在与榫头顶面搭接处设计了一种新的叶根型线(如图2所示),在ANSYS中建立叶片/榫头参数化模型并进行

了形状优化,获得的最优结构的质量及榫头喉部最大拉应力比原结构都有不同程度的下降,并且新结构的应力分布更加均匀

.

图1 发动机中的三角过渡段位置Fig.1 Triangletransitionstructurein

engine

图2 叶根型线与榫头结构图Fig.2 Bladeprofileanddovetailstructure

1 弧形燕尾榫结构设计

在弧形燕尾榫结构设计中,要求榫头顶面包络整个叶根型线且满足强度要求是叶根型线与榫头设计的难点和要点.一般解决方法是选取榫头顶面较大的榫头截面,然后根据叶片叶型的中弧线所在的圆弧扫掠成榫头,但这种方法不利于榫头设计,并且获得榫头质量较重.本文通过建立叶根型线与榫头顶面的尺寸约束关系来解决.1.1 与榫头顶面搭接叶根型线设计

考虑叶根型线应是光滑无拐点,具有一阶、二阶几何连续的性质,与榫头顶面搭接的叶根型线*个)创建圆弧曲线和榫头顶面与圆弧曲线的尺寸约束关系,如图2所示.其中L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,C1,C2,C3,L9,L10,L11之间的函数关系如公式(1)所示

L1=La+L9L2=La+L10L3=La+L11L4=L3+C2L5=L2+C3L6=L1+C1L7=L1+C1/2L8=L3+C2/a12

(1)

分别为后缘、前缘半径,C3为叶型最大厚度,L9,L10,L11分别是尺寸约束值,其中L*=[L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 H1 H2 H3 C1 C2 C3 L9 L10 L11 L12]T.1.2 叶根型线的建模方法

在参考点O(0,Z5,-Z3-Z4)建立柱坐标系XdYd,如图2所示.在该坐标系分别建立圆弧曲线所需的6个点坐标(L1,H1),(L2,H2),(L3,H3),

3),(L5,H2),(L6,H1),通过三点建立圆弧的(L4,H

方法建立圆弧曲线S1(叶盆)、S2(叶背).

本文通过尺寸约束方法建立约束关系.首先确立径向方向的边界条件La,Lb,从公式(2)可以看出La,Lb是变量Z5,Z6,B1的函数,因此运用APDL(ANSYS参数化设计语言)编写了L1,L2,

L3,C1,C2,C3与La,Lb的尺寸约束关系,见下面的程 …… 此处隐藏：7550字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……