[发明专利]航空发动机转子系统安全性数值评估方法

权利要求书

1.一种航空发动机转子系统安全性数值评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据航空发动机转子系统的三维结构特点，区分轴对称部分和非轴对称部分，对轴对称部分建立傅里叶单元有限元模型，对非轴对称部分建立三维循环对称单元有限元模型；

在傅里叶单元有限元模型和三维循环对称单元有限元模型之间利用多点约束算法形成耦合；

根据转子系统中部件之间的实际的接触位置施加接触对，并设置接触参数，设置大变形几何非线性参数，施加发动机载荷并设置边界约束，设置载荷步和并行求解参数，在计算机平台上开展并行求解，获得航空发动机转子系统的数值分析结果；以及

通过航空发动机转子系统的数值分析结果，分析航空发动机转子系统的单点应力、寿命及破裂裕度，完成对航空发动机转子系统的安全性数值评估。

2.如权利要求1所述的航空发动机转子系统安全性数值评估方法，其特征在于，在对傅里叶单元有限元模型并行求解参数前，将傅里叶单元有限元模型集成方程，设置周向傅里叶节点数N；

如果周向傅里叶节点数N为奇数，傅里叶单元有限元模型的形函数u_i为：

如果周向傅里叶节点数N为偶数，傅里叶单元有限元模型的形函数u_i为：

其中，i＝r,θ,z为圆柱坐标系下径向、周向和轴向节点位移，H_i(ξ,η)为平面四边形或者三角形单元的形函数，a_i、b_i、c_i为傅里叶级数系数。

3.如权利要求1所述的航空发动机转子系统安全性数值评估方法，其特征在于，所述对非轴对称部分建立三维循环对称单元有限元模型，包括：采用循环对称模型建立20节点全六面体单元，在转子系统中部件之间发生接触的位置使单元大小保持一致，循环对称面的网格保持一致。

4.如权利要求1所述的航空发动机转子系统安全性数值评估方法，其特征在于，所述在傅里叶单元有限元模型和三维循环对称单元有限元模型之间利用多点约束算法形成耦合，包括：

选择三维循环对称单元有限元模型的连接面为主面，选择傅里叶单元有限元模型的接触面为从面；

建立每个从面节点与主面节点之间的约束关系，约束关系满足下式：

其中，u_s为从节点自由度，u_m为主节点自由度，δ_i为加权系数，n为参与耦合的节点数，δ₀为常数项。

5.如权利要求1所述的航空发动机转子系统安全性数值评估方法，其特征在于，所述根据转子系统中部件之间的实际的接触位置施加接触对，包括：采用标准接触模拟分离式叶片榫头工作面与轮盘之间的相互作用，采用绑定接触模拟螺栓与螺母之间的螺纹作用，采用标准接触模拟螺栓、螺母和轮盘安装边的相互作用，并通过施加初始过盈量模拟螺栓的拧紧力矩。

6.如权利要求1所述的航空发动机转子系统安全性数值评估方法，其特征在于，所述设置大变形几何非线性参数，包括：在求解中打开大变形计算开关，基于有限变形理论进行非线性迭代求解。

7.如权利要求1所述的航空发动机转子系统安全性数值评估方法，其特征在于，所述设置边界约束包括：在轴承位置设置单点轴向约束。

8.如权利要求1所述的航空发动机转子系统安全性数值评估方法，其特征在于，所述设置载荷步包括：按照发动机实际安装顺序，采用两个载荷步进行求解，分别为：第一步，不施加发动机载荷，只考虑螺栓拧紧力矩，获得装配状态的力学状态；第二步，施加离心力、温度场、气动流路压力、腔压、涡轮轴向力及扭矩载荷，模拟发动机实际工作状态的力学状态。

9.如权利要求1所述的航空发动机转子系统安全性数值评估方法，其特征在于，所述设置并行求解参数包括：选择并行计算模式和并行计算核数。

10.如权利要求1所述的航空发动机转子系统安全性数值评估方法，其特征在于，所述分析破裂裕度包括：采用平均应力法计算得到破裂裕度δ，其计算公式如下：

其中，γ为修正系数，σ_b为相应温度下的极限强度，σ_avg为平均周向应力或平均径向应力。