(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111680634.2 (22)申请日 2021.12.3 0 (71)申请人 中国航空工业 集团公司金城南京机 电液压工程研究中心 地址 211106 江苏省南京市江宁开发区水 阁路33号、 19号信箱 (72)发明人 孙唯一　吕国川　石小龙　陈利强　 童琦琦　黄芳　 (74)专利代理 机构 中国航空专利中心 1 1008 代理人 张毓灵 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/15(2020.01) G16C 60/00(2019.01)G16C 10/00(2019.01) G06F 111/06(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设 计优化方法 (57)摘要 本发明为克服弹性支承理论设计方法不能 考虑装配要求 以及还需要通过有 限元方法进行 多次迭代计算的技术不足， 提出了一种空气涡轮 起动机涡 轮转子弹性支承设计优化方法， 是一种 具有内凸台或外凸台或同时具有内外凸台的弹 性支承结构有限元设计优化方法， 该方法可同时 考虑装配关系、 不同材料属性的影响， 并自动开 展转子‑支承结构的模态、 临界转速计算， 可大幅 度减少“设计‑分析‑修正‑加工‑装配”过程的迭 代时间。 权利要求书2页 说明书5页 附图5页 CN 114357649 A 2022.04.15 CN 114357649 A 1.一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法， 其特征在于， 所述优化方法， 包括以下步骤： 步骤S1， 获取涡轮轴承径向、 轴向尺寸及轴承支承刚度， 获取轴承设计参数； 步骤S2： 根据涡轮转子结构特征及支承位置， 调用步骤S1中所述的轴承尺寸及轴承刚 度参数， 计算 转子在该 条件下的模态及临界转速， 确定转子轴承刚度的调整方向与范围； 步骤S3： 建立弹性支承组件的参数化模型， 以弹性轴模拟轴承， 以弹性圆环模拟轴承安 装座； 步骤S4： 利用有限元软件自动读取材料属性、 装配关系、 求解计算、 获得计算结果、 寻找 优化路径、 循环迭代获得某一刚度下的弹性支承结构； 步骤S5： 调入涡轮模型， 开启转子动力学分析模块， 以步骤S4中获得的弹性支承刚度与 步骤S1中轴承刚度的串联刚度作为总体刚度， 开展转子临界转速分析； 步骤S6： 对当前转子临界转速进行分析， 若不满足设计要求， 则重复S3 ‑S5步骤直至满 足设计要求。 2.如权利要求1所述的一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法， 其特征 在于， 步骤S1中， 根据实际轴承所受载荷及寿命要求选择轴承， 获得轴承设计参数至少包 括： 结构参数及轴承刚度参数； 结构参数包括内径、 外径、 宽度。 3.如权利要求1所述的一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法， 其特征 在于， 步骤S2实现过程包括： 1)获取涡轮转子支承位置参数； 2)获得材料参数； 3)建立初步 有限元分析模型； 4)根据有限元模型开展计算， 得到转子的振动模态及 临界转速Campb ell 图， 评估转子的弯曲模态的1阶临界转速， 获得初步计算结果； 5)根据实际使用需求， 确定空 气涡轮起动机转子需要长期工作的转速点及脱开转速点， 根据评估标准及实际临界转速值 确定支承刚度的调整方向与调整范围。 4.如权利要求3所述的一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法， 其特征 在于， 步骤S2中， 建立有限元分析模型是在有限元软件中导入空气涡轮起动机涡轮转子模 型， 约束转子模型中轴承安装位置的轴向转动及轴向位移自由度， 以弹簧单元代替轴承， 并 赋予弹簧单元步骤S1中获得的轴承刚度值。 5.如权利要求3所述的一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法， 其特征 在于， 确定空气涡轮起动机转子需要长期 工作的转速点及 脱开转速点时， 要求 1、 2阶临界转 速需要远离长期 工作的转速点及脱开转速点的 ±20％以上， 根据评估标准及实际临界转速 值确定支承刚度的调整方向与调整范围。 6.如权利要求1所述的一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法， 其特征 在于， 步骤S3执行过程包括： 1)选择弹性支承基本型； 2)建立弹性支承的参数化模型； 3)建 立弹性支承刚度分析有限元模型。 7.如权利要求6所述的一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法， 其特征 在于， 建立 弹性支承的参数化模 型时， 基于有限元软件ANSYS  APDL语言， 建立包含弹性支承 所有结构信息的参数化模型进行设计。 8.如权利要求6所述的一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法， 其特征 在于， 建立弹性支承刚度分析有限元模型时， 建立弹性支承内径为外径的弹性圆环模拟轴 承， 建立弹性支承外径为内径的弹性圆环模拟轴承座。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114357649 A 29.如权利要求1所述的一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法， 其特征 在于， 步骤S4执行过程是： 1)读取材料力学性能数据； 自动读取弹性支承、 弹性轴、 弹性轴承 圆环的材料属性， 该材料属性需要包含弹性模量、 密度、 泊松比、 屈服强度、 塑性材料属性； 2)根据实际使用环境， 弹性支承同时与轴承、 轴承支 座接触， 为减小弹性支承在涡轮涡动作 用下与轴承、 轴承支 座发生磨损； 在计算初始给定一较小过盈量作为输入条件， 并该过盈量 作为优化参数在后期优化设计中进行迭代； 3)约束弹性轴承座外壁面所有自由度； 约束弹 性圆轴轴向转动、 轴向位移自由度、 径向旋转自由度； 约束弹性支承轴向位移自由度， 并设 置弹性支承与弹性圆轴、 弹性轴承座的过盈接触关系， 为模拟转子设计工作过程中产生的 涡动位移， 假设转子作正圆形涡动， 由此对弹性圆轴施加径向(x， y)的两个互相垂 直的位移 载荷； 该载荷值在0 ‑1mm之间变化， 且此两位移载荷需要满足轨迹为圆的要求； 4)自动求解 当前参数下的弹性支承对弹性圆轴的支反力， 并由位移载荷与 支反力获得弹性支承的刚度 值。 将弹性支承的应力、 应变、 质量、 刚度值写入文件scratch； 5)采用有限元零阶优化 或1阶 优化或2阶优化算法进 行直接优化， 优化分析步中调用步骤4)中scratch文件并读取设计变 量、 目标函数、 约束变量， 以刚度值、 弹性支承内应力值作为判定基准； 搜索优化路径并迭代 至结果收敛。 10.如权利要求1所述的一种空气涡轮起动机涡轮转子弹性支承设计优化方法， 其特征 在于， 转子临界转速分析时， 分析转子弯曲模态的1阶、 2阶临界转速， 判定当前临界转速与 切断转速和长时间工作转速的转速裕度。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114357649 A 3