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超大型风机管道及航空发动机试验舱强度数值分析及结构改进设计

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摘要

符号说明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2.1 管道布置与结构设计

1.2.2 加强筋位置分布及尺寸

1.2.3 管道内流场分析

1.3 航空发动机试验舱发展概述

1.3.1 航空发动机试验

1.3.2 航空发动机试验舱质量评定

1.4 有限元软件在数值计算中的应用

1.5 课题来源及主要研究内容

1.5.2 本文主要研究内容

第二章 超大型风机管道强度分析

2.1 管道结构及基本参数介绍

2.2 管道材料属性

2.3 管道有限元模型的建立

2.3.1 几何模型的建立

2.3.2 有限元网格模型的建立

2.4 管道载荷及边界条件

2.4.1 载荷

2.4.2 接触

2.4.3 约束

2.5 有限元分析结果

2.5.1 强度校核依据

2.5.2 整体应力强度分布云图、变形图

2.5.3 强度校核

2.6 本章小结

第三章 航空发动机试验舱强度分析

3.1 航空发动机试验舱结构及基本参数介绍

3.2 试验舱材料属性

3.3 航空发动机试验舱有限元分析模型的建立

3.3.1 几何模型的建立

3.3.2 有限元网格模型的建立

3.4 航空发动机试验舱载荷及边界条件

3.4.1 载荷

3.4.2 接触

3.4.3 约束

3.5 有限元分析结果

3.5.1 强度校核依据

3.5.2 整体应力强度分布云图、变形图、温度分布图

3.5.3 强度校核

3.6 前室封头、外伸接管、隔板连接处不同结构承载能力分析

3.6.1 六种连接结构介绍

3.6.2 六种连接结构强度计算结果对比

3.7 本章小结

第四章 超大型风机管道及航空发动机试验舱疲劳和地震分析

4.1 疲劳分析介绍

4.2 超大型风机管道疲劳分析

4.2.1 二拐管道疲劳分析

4.2.2 稳定段管道疲劳分析

4.3 航空发动机试验舱疲劳分析

4.3.1 前室疲劳分析

4.3.2 试验舱疲劳分析

4.4 地震分析介绍

4.5 航空发动机试验舱地震分析

4.5.1 航空发动机试验舱模态分析

4.5.2 水平地震力的计算

4.5.3 载荷及约束

4.5.4 地震分析结果

4.6 本章小结

第五章 超大型风机管道及航空发动机试验舱稳定性分析

5.1 线性屈曲分析介绍

5.2 超大型风机管道稳定性分析

5.2.1 载荷及边界条件

5.2.2 超大型风机管道稳定性分析结果

5.3 航空发动机试验舱稳定性分析

5.3.1 载荷及边界条件

5.3.2 航空发动机试验舱稳定性分析结果

5.4 舱门稳定性分析

5.4.1 舱门厚度对稳定性的影响

5.4.2 加强筋高度对稳定性的影响

5.4.3 加强筋厚度对稳定性的影响

5.4.4 加强筋分布对稳定性的影响

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 未来展望

参考文献

致谢

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摘要

超大型风机管道和航空发动机试验舱是风洞系统的重要组成设备。由于风洞系统结构复杂,且承受内压、疲劳、外压、地震等多种载荷工况作用,一般的常规计算不能做到精细设计,更无法进行疲劳分析。本文应用ANSYS软件,对超大型风机管道及航空发动机试验舱进行数值分析,并对不合理结构进行了改进设计,具体内容和结论如下:
  (1)建立了超大型风机管道和航空发动机试验舱有限元模型,进行了不同载荷工况下的应力分析,并依据JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》(2005年确认)进行了强度评定。结果表明超大型风机管道满足强度要求,航空发动机试验舱除前室封头、隔板及前室封头外伸接管连接处外,其他地方也满足强度要求,并有很大安全裕量。
  (2)对航空发动机试验舱前室封头、隔板及前室封头外伸接管连接处提出六种改进结构,对比发现,若采用圆弧隔板连接形式,在隔板和前室封头外伸接管厚度均在一定程度上减薄的情况下,强度能满足要求。
  (3)对承受交变载荷的超大型风机管道及航空发动机试验舱进行了疲劳分析和强度评定。依据材料的设计疲劳曲线求得二拐管道、稳定段管道、前室、试验舱累积使用系数分别为0.5196、0.0761、0.003、0.6396,即超大型风机管道及航空发动机试验舱均满足疲劳强度要求。
  (4)对航空发动机试验舱进行了模态分析,求得设备自振周期;依据地震影响系数曲线,求得地震水平加速度。对地震工况下的航空发动机试验舱进行强度评定,结果显示在地震载荷下,航空发动机试验舱强度满足要求。
  (5)对外压作用下的风机管道及航空发动机试验舱进行了稳定性分析,二拐管道、稳定段管道及航空发动机试验舱屈曲载荷系数分别为43.56、18.52、4.13。因航空发动机试验舱屈曲载荷系数未达到合作方提出的7.0以上的特殊要求,故在航空发动机试验舱失稳处加设加强筋结构。改进后的航空发动机试验舱屈曲载荷系数提高到了15.29。
  (6)航空发动机试验舱舱门外表面有大量加强筋结构,设计过于保守。本文以试验舱舱门为研究对象,考察舱门厚度、加强筋高度、加强筋厚度及加强筋分布对舱门稳定性的影响后,对试验舱舱门进行了轻量化设计。结构改进后的试验舱舱门总重量减小了44.32%。

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