一种基于空地状态等效模拟的航空发动机主轴承载荷预计方法

本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种基于空地状态等效模拟的航空发动机主轴承载荷预计方法。

背景技术：

1、在现代航空发动机中，滚动轴承支承方式被广泛采用，随着先进航空发动机技术的发展，高压比、高涡轮进口温度、高转子转速和有限的空间限制，要求机械系统在高温、高速、高载荷、轻质量、激烈状态变化、紧凑空间限制、长寿命和高可靠性下工作，其质量、性能直接影响发动机的可靠性、安全性和寿命。航空发动机主轴承已经被公认为制约发动机技术发展的关键技术之一，也是国内外军用航空发动机故障率高发的系统，是导致发动机空中停车和提前换发的主导原因之一。由于飞机在飞行过程中，无法通过传感器直接测量主轴承上受力情况，目前地面测试也只能在地面开展指定截面的轴向力，效果有限，当前还没有整机机动飞行条件下的主轴承载荷预计方法。目前，航空发动机整机振动是当前发动机研制和研究领域的热点和难点问题，但机动飞行条件下的整机振动响应由于影响因素多、复杂度大，还没有有效的模拟和解决办法。因此，如何建立更加真实的发动机整机动力学模型，并利用实测数据修正建立具有非线性响应一致性的模型，在此基础上考虑机动飞行影响，建立机动飞行条件下的整机非线性模型，具有重要意义。对于理解机动飞行对发动机整机动力学的影响规律，获取更加真实的主轴承载荷，并依此开展轴承的损伤演化研究，为轴承设计提供更接近实际的载荷输入，对开展主轴承失效机理分析和设计改进也具有重要参考价值。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于空地状态等效模拟的航空发动机主轴承载荷预计方法，“空地模拟”即在地面来模拟空中的典型工况，典型工况为给定飞行高度、马赫数下发动机的巡航或中间状态的工况。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种基于空地状态等效模拟的航空发动机主轴承载荷预计方法，即一种基于空地状态一致性等效模拟的航空发动机主轴承载荷预计方法，包括如下步骤：

4、s1、基于转子动力学方法，建立航空发动机的整机非线性动力学模型，并通过发动机实测数据验证模型的非线性响应一致性；

5、s2、通过给定飞行高度、马赫数下发动机的巡航或中间状态工况下的气动轴向力数据，基于支持向量机回归（svr）的机器学习算法建立航空发动机全包线气动轴向力计算代理模型；

6、s3、基于飞机实际飞行中的飞行参数，将真实飞行参数代入所述全包线气动轴向力计算代理模型，计算得到气动轴向力，耦合输入到整机非线性动力学模型当中，建立机动飞行下的转子动力学整机非线性模型；所谓“机动飞行”，即代表飞机在空中的各种机动动作；建立机动飞行下的转子动力学模型，即将飞机做机动动作时的x、y、z方向的过载（加速度）代入转子动力学模型；

7、s4、将任一飞行任务下的飞行参数数据输入到所述机动飞行下的转子动力学整机非线性模型当中，输出得到此次飞行任务下的主轴承载荷情况，实现空地状态等效模拟的航空发动机主轴承载荷预计。

8、进一步地，基于航空发动机的实际转子系统结构，分别建立转子模型、机匣模型、轴承模型以及支承模型，将上述各部件模型耦合在一起形成整机非线性动力学模型。

9、进一步地，转子模型为由若干支承和转盘组成，转子利用有限元方法离散为普通梁单元，同时考虑转子系统的剪切变形、陀螺力矩及转动惯量；高压转子不同级之间、低压转子不同级之间、以及高低压转子之间通过非线性力和力矩耦合、机匣以及支承之间通过非线性力和力矩耦合；转子节点上还承受来自外部的激励力。对于高低压转子来说，所谓“不同级之间”是指，压气机和涡轮各由多级组成，各级通过螺栓等硬连接，存在相关支承关系。

10、进一步地，机匣模型是按梁单元方式处理，即按不旋转的轴的方式处理，同时考虑剪切效应和转动惯量。

11、进一步地，对滚珠轴承和滚柱轴承分别建模。

12、进一步地，分别考虑各转子－机匣间的支承连接、高低压转子之间的中介轴承支承连接、压气机转子不同级之间、风扇转子不同级之间、以及涡轮转子不同级之间的连接、不同机匣之间的支承连接、机匣与基础间的弹性支承，对复杂结构形式的航空发动机进行整机建模。 所谓“不同机匣”，可以理解为发动机包括进气机匣、中介机匣、涡轮后机匣等，发动机从前到后由不同机匣组合而成；所谓“基础”是指发动机安装的接口，即安装节，表示发动机在飞机或者试车台上安装，飞机或试车台给发动机提供支撑点；

13、进一步地，建立航空发动机气动力有限元模型，依据飞行全包线下给定飞行高度、马赫数下发动机的巡航或中间状态工况的飞机马赫数、飞行高度、航空发动机高、低压转子转速以及气动轴向力数据，通过基于所述支持向量机回归（svr）的机器学习算法，建立航空发动机全包线气动轴向力计算代理模型。

14、进一步地，考虑飞行参数带来的影响，能够模拟航空发动机在飞机机动飞行下发动机整机瞬态非线性响应（振动、载荷等）。

15、进一步地，所述任一飞行任务下的飞行参数数据，其具体包括：飞机的俯仰角速度、俯仰角加速度、航向角速度、航向角加速度、横滚角速度、横滚角加速度、飞行高度、飞行马赫数、侧向过载、纵向过载、法向过载、发动机的高压转子转速、低压转子转速。

16、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

17、1）本发明得到的载荷，与现有的航空发动机载荷经验计算方法相比，在模型与实测非线性响应一致性基础上，考虑了由航空发动机非平稳运行工况给发动机主轴承造成的频繁的轴向和径向过载冲击作用，载荷分析更加全面有效，更加符合主轴承的真实载荷情况；

18、2）本发明所采用的仿真计算方法，能够根据不同的飞行任务进行模拟仿真，气动轴向力计算速度快，并且仿真计算结果准确；

19、3）本发明采用的方法可以实现航空发动机地面试车与实际空中飞行中主轴承载荷的等效模拟，实现空地状态的一致性；

20、综上，本发明方法能够实现航空发动机主轴承载荷计算，对于航空发动机整机振动机理理解、主轴承演化规律和健康诊断方法研究以及轴承设计都具有重要意义，具有广泛的应用前景

技术特征：

1.一种基于空地状态等效模拟的航空发动机主轴承载荷预计方法，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于空地状态等效模拟的航空发动机主轴承载荷预计方法，其特征在于基于航空发动机的实际转子系统结构，分别建立转子模型、机匣模型、轴承模型以及支承模型，将上述各部件模型耦合在一起形成整机非线性动力学模型。

3.根据权利要求2所述的基于空地状态等效模拟的航空发动机主轴承载荷预计方法，其特征在于转子动力学整机非线性模型为由若干支承和转盘组成，转子利用有限元方法离散为普通梁单元，同时考虑转子系统的剪切变形、陀螺力矩及转动惯量；高压转子不同级之间、低压转子不同级之间、以及高低压转子之间通过非线性力和力矩耦合、机匣以及支承之间通过非线性力和力矩耦合；转子节点上还承受来自外部的激励力。

4.根据权利要求2所述基于空地状态等效模拟的航空发动机主轴承载荷预计方法，其特征在于机匣模型按梁单元方式处理，同时考虑剪切效应和转动惯量。

5.根据权利要求2所述的基于空地状态等效模拟的航空发动机主轴承载荷预计方法，其特征在于对滚珠轴承和滚柱轴承分别建模。

6.根据权利要求2所述的基于空地状态等效模拟的航空发动机主轴承载荷预计方法，其特征在于分别考虑各转子－机匣间的支承连接、高低压转子之间的中介轴承支承连接、压气机转子不同级之间、风扇转子不同级之间、以及涡轮转子不同级之间的连接、不同机匣之间的支承连接、机匣与基础间的弹性支承，对航空发动机进行整机建模，并通过发动机实测数据验证模型临界转速的非线性响应的一致性。

7.根据权利要求1所述的基于空地状态等效模拟的航空发动机主轴承载荷预计方法，其特征在于，建立航空发动机气动力有限元模型，依据飞行全包线下给定飞行高度、马赫数下发动机的巡航或中间状态工况的飞机马赫数、飞行高度、航空发动机高、低压转子转速以及气动轴向力数据，通过基于所述支持向量机回归的机器学习算法，建立航空发动机全包线气动轴向力计算代理模型。

8.根据权利要求1所述的基于空地状态等效模拟的航空发动机主轴承载荷预计方法，其特征在于，能够模拟航空发动机在飞机机动飞行下的发动机整机瞬态非线性响应。

9.根据权利要求1所述的基于空地状态等效模拟的航空发动机主轴承载荷预计方法，其特征在于，所述任一飞行任务下的飞行参数数据，其具体包括：飞机的俯仰角速度、俯仰角加速度、航向角速度、航向角加速度、横滚角速度、横滚角加速度、飞行高度、飞行马赫数、侧向过载、纵向过载、法向过载、发动机的高压转子转速、低压转子转速。

技术总结
一种基于空地状态等效模拟的航空发动机主轴承载荷预计方法，包括对航空发动机转子‑支承‑机匣分别进行建模，基于模型与实测临界转速等非线性响应一致性建立适用于机动飞行下的整机非线性转子动力学模型，建立航空发动机全包线气动轴向力代理模型，与整机模型匹配，由真实的飞行参数驱动，得到更加真实的主轴承载荷。本发明提出的航空发动机主轴承载荷预计方法，在所建模型非线性响应一致性基础上，由真实的飞行参数驱动，能够得到具有空地状态一致性、更加真实的主轴承载荷，对于更好的确定发动机主轴承设计载荷输入，指导开展发动机整机振动建模和分析、主轴承故障规律研究和健康诊断算法研究及验证均具有重要参考价值。

技术研发人员：尉询楷,陈果,王浩,赵雪红,贺志远,冯悦,康玉祥,杨洪,何秀然,李灏,刘兴建,盛嘉玖,刘矅宾
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/8