发动机外涵道机匣加筋布局轻量化设计

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29021

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发动机外涵道机匣加筋布局轻量化设计

孟亮¹^,²^,³, 张靖¹^,², 王亚栋¹^,², 于洋⁴, 张帆⁴, 朱继宏¹^,²^,³, 张卫红¹^,²^,³()

^1.陕西省空天结构技术重点实验室，西安 710072
^2.西北工业大学机电学院，西安 710072
^3.西北工业大学航宇材料一体化设计与增材制造装备技术国际联合研究中心，西安 710072
^4.北京动力机械研究所，北京 100074

收稿日期:2023-05-19 修回日期:2023-06-14 接受日期:2023-07-05 出版日期:2023-10-11 发布日期:2023-10-08
通讯作者: 张卫红 E-mail:zhangwh@nwpu.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2022YFB4603101);国家自然科学基金(12111530244);中央高校基本科研业务费专项资金(D5000230049)

Lightweight design of stiffening ribs layout of a bypass engine casing

Liang MENG¹^,²^,³, Jing ZHANG¹^,², Yadong WANG¹^,², Yang YU⁴, Fan ZHANG⁴, Jihong ZHU¹^,²^,³, Weihong ZHANG¹^,²^,³()

^1.Shaanxi Key Laboratory of Aerospace Structures，Xi’an 710072，China
^2.School of Mechanical Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^3.State IJR Center of Aerospace Design and Additive Manufacturing，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^4.Beijing Institute of Power Machinery，Beijing 100074，China

Received:2023-05-19 Revised:2023-06-14 Accepted:2023-07-05 Online:2023-10-11 Published:2023-10-08
Contact: Weihong ZHANG E-mail:zhangwh@nwpu.edu.cn
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2022YFB4603101);National Natural Science Foundation of China(12111530244);The Fundamental Research Funds for the Central Universities(D5000230049)

摘要/Abstract

摘要：

针对某型发动机外涵道机匣的极致轻量化设计需求，首先以结构刚度最大化为目标，开展了薄壁机匣结构复杂工况下的加筋布局拓扑优化设计；进一步考虑机匣服役工况下的屈曲稳定性要求，系统性研究了工程常见4种加筋构型与结构抗屈曲性能的关联关系；最后，考虑制造工艺约束，建立了外涵道机匣的周期性加筋参数化模型，综合结构刚度、强度和稳定性要求，构建了基于加筋应力水平和结构抗屈曲性能等的综合优化设计目标，并开展了加筋尺寸优化设计。优化得到的外涵道机匣加筋设计方案较原始设计模型减重近40%，与1.3 mm等厚机匣相比，不仅满足结构刚度与强度设计要求，同时实现了结构外部压强临界屈曲载荷212.9%的提升，有效保障了发动机机匣严酷载荷工况下的服役稳定性。

关键词: 外涵道机匣, 屈曲, 加筋设计, 参数化建模, 结构优化

Abstract:

This study focuses on the lightweight design of a specific bypass engine casing，considering the complex effects. A topology optimization approach is first employed to determine the optimal layout of stiffening ribs under various loading conditions. Additionally，taking into account the buckling stability requirements for the casing，the correlation between four common reinforcement configurations and structural buckling resistance is systematically studied. A hierarchical stiffening strategy on the basis of triangle and hexagonal patterns is proposed，and built a parametric model for the periodically stiffened casing. A comprehensive optimization design objective，based on stress levels of stiffening ribs and structural buckling resistance，is finally developed. The optimized reinforcement design for the bypass engine casing achieves a weight reduction of approximately 40% compared to the original design model. Moreover，it surpasses the structural stiffness and strength requirements and exhibits a significant enhancement of 212.9% in the critical buckling load when compared to a structure with a wall thickness of 1.3 mm. These advancements effectively ensure the operational stability of the bypass engine casing under severe load conditions.

Key words: bypass engine casing, buckling, reinforcement design, parametric modeling, structure optimization

中图分类号:

V211.3

孟亮, 张靖, 王亚栋, 于洋, 张帆, 朱继宏, 张卫红. 发动机外涵道机匣加筋布局轻量化设计[J]. 航空学报, 2024, 45(11): 529021-529021.

Liang MENG, Jing ZHANG, Yadong WANG, Yang YU, Fan ZHANG, Jihong ZHU, Weihong ZHANG. Lightweight design of stiffening ribs layout of a bypass engine casing[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(11): 529021-529021.

图/表 23

图 1

图 2

图 3

表 1

表 2

图 4

表 3

图 5

图 6

表 4

图 7

图 8

表 5

图 9

图 10

图 11

图 12

表 6

符号含义对照表

符号	含义
$w 1$	斜向加筋宽度
$w 2$	周向加筋宽度
$h$	加筋高度
$σ m e a n$	加筋平均应力水平
$σ m a x 1$	斜向加筋最大应力
$σ m a x 2$	周向加筋最大应力
$λ$	临界屈曲载荷特征值
$V$	模型目标体积
$V C$	无加筋圆筒体积
$l 1$	斜向加筋长度
$l 2$	周向加筋长度

表 6

图 13

图 14

图 15

图 16

表 7

参考文献 31

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

载荷工况	装配孔应力/MPa	平直段应力/MPa	跑道孔段应力/MPa
F₁	321.4	1.5	2.3
F₂	107.1	3.3	1.2
F₃	57.6	5.1	5.2
M₁	323.9	8.6	4.9
M₂	457.4	11.8	3.7
P₁	271.5	50.4	176.2
T	810.4	6.8	1.0
a	71.9	2.8	1.7
全工况	228.1	49.0	187.3

载荷工况	拓扑优化结果	加筋布局特点
F₁		斜置正交/轴向加筋
F₃		轴向加筋
M₁		轴向/交叉加筋
P₁		周向加筋
全工况		混合加筋

加筋构型	轴向压力/N	外部压强/MPa	弯矩/（N∙m）	扭矩/（N∙m）
无加筋	4.32×10⁵	0.041	3.06×10⁴	4.05×10⁴
矩形加筋	6.58×10⁵	0.303	1.25×10⁵	1.77×10⁵
斜置正交加筋	5.47×10⁵	0.400	1.05×10⁵	2.75×10⁵
三角形加筋	5.93×10⁵	0.427	1.12×10⁵	2.15×10⁵
六边形加筋	6.06×10⁵	0.250	1.16×10⁵	1.67×10⁵

加筋构型	轴向压力/N	弯矩/（N∙m）	扭矩/（N∙m）	外部压强/MPa
矩形加筋	4.91×10⁵	9.55×10⁴	1.36×10⁵	0.199
斜置正交加筋	4.44×10⁵	8.70×10⁴	1.51×10⁵	0.204
三角形加筋	4.06×10⁵	8.05×10⁴	1.51×10⁵	0.217
六边形加筋	5.95×10⁵	11.5×10⁴	1.12×10⁵	0.133
三角形加筋屈曲模态
失效模式	局部屈曲	局部屈曲	整体屈曲	整体屈曲

性能指标	参考模型（1.3 mm等厚）	优化后模型	性能变化/%
最大位移/mm	3.97	3.28	-17.28
最大应力/MPa	799.11	731.28	-8.49
平直段应力/MPa	175~180	200~210	+11.11~20.00
轴向压力临界屈曲载荷/N	4.83×10⁵	4.65×10⁵	-3.74
外部压强临界屈曲载荷/MPa	0.06	0.19	+212.90
减重比/%	37.77	37.82	持平

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