1、2 0 2 3年第5期一种航空发动机总体结构布局评价方法周建超,赵 翀,怀时卫(中国航发沈阳发动机研究所,辽宁 沈阳 1 1 0 0 1 5)摘 要:总体结构布局设计是航空发动机方案设计阶段的重要环节,总体布局的好坏对航空发动机产品的研制全过程影响重大。其涉及知识面非常广且存在多学科耦合,很多影响因素难以量化,如何对总体布局进行评价并对多个待选方案按需择优选取的问题具有模糊性和复杂性。本文对基于层次分析法的航空发动机总体布局设计的评价进行探索,为更科学更有针对性的进行布局评价和方案选取提供新思路。关键词:结构布局;评价方法;航空发动机;层次分析法 中图分类号:V 2 3 文献标识码:A 文章编
2、号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 5-0 0 3 4-0 3A nE v a l u a t i o nM e t h o df o rT h eS t r u c t u r eL a y o u t o fA e r oE n g i n e sZ h o uJ i a n-c h a o,Z h a oC h o n g,H u a iS h i-w e i(A E C CS h e n y a n gE n g i n eR e s e a r c hI n s t i t u t e,S h e n y a n g1 1 0 0 1 5,C h i n a)A
3、b s t r a c t:T h e s t r u c t u r a l l a y o u t d e s i g n i s a n i m p o r t a n t p a r t o f t h e s c h e m ed e s i g ns t a g eo f t h e a e r o-e n g i n e,a n dt h eq u a l i t yo f t h e l a y o u th a sag r e a t i m p a c to nt h ew h o l ep r o c e s so f t h ed e v e l o p m e n t
4、o fa e r o-e n g i n ep r o d u c t s.I ti n v o l v e saw i d e r a n g eo f k n o w l e d g e a n dm u l t i d i s c i p l i n a r yc o u p l i n g,m a n y i n f l u e n c i n g f a c t o r s a r ed i f f i c u l t t oq u a n-t i f y,a n dh o wt oe v a l u a t e t h eo v e r a l l l a y o u ta n d
5、s e l e c tm u l t i p l eo p t i o n sa c c o r d i n gt ot h en e e d s i sa m b i g u o u sa n dc o m p l e x.T h i sp a p e re x p l o r e st h ee v a l u a t i o no ft h el a y o u td e s i g no fa e r o-e n g i n e sb a s e do nn a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s,w h i c hp r o v i d e
6、 sn e wi d e a s f o rm o r es c i e n t i f i ca n dt a r g e t e d l a y o u t e v a l u a t i o na n ds c h e m es e l e c t i o n.K e yw o r d s:S t r u c t u r a l l a y o u t;E v a l u a t i o nm e t h o d o l o g y;A e r oe n g i n e s;AH P资助项目:国家科技重大专项(2 0 1 7-I-0 0 0 8-0 0 0 9)经费资助作者简介:周建超(
7、1 9 9 0),男,汉族,辽宁北票人,工程师,哈尔滨工业大学硕士学位,研究方向是航空发动机重量设计、多学科综合优化设计、总体结构布局设计等。1 引言发动机的总体结构布局方案评估的传统方法是专家评审法,这种评价方法有很多不确定因素,导致不能完全发挥评价专家的认知水平,容易出现评价尺度不同和评价要素发散等问题。层次分析法对于解决不容易定量分析的复杂选优问题很有效1,本文初步分析了影响总体结构布局评价的要素,并结合模糊数学法,提出对此评价问题的一种运筹学的数值量化评估方法,可以全面地对比每个影响发动机布局设计的重点细节,从而更准确、更全面的对航空发动机总体结构布局方案进行评估和优选。2 总体布局设
8、计的评价因素2.1 适用性对于全新发动机的研发,设计方案是否适合研发需求是关键的。经本次初步分析影响适用性的因素有研发周期、功能性能储备、安装考虑。在各型发动机的研制中,也可能是其它因素。从国外发动机的应用和发展来看,系列化发展和改型发展的型号占多数,用户对缩短研发周期具有强烈需求2,研发周期越短越优。对于相关功能、性能的储备以及安装是否方便都是限制发动机适用性的因素,本文所说的功能、性能均以设计者和各评价专家已知的目前发动机研制需求相关的功能与性能要素,比如用户对于矢量推力功能、长寿命等要求,此项指标系数越大,越有利于方案。2.2 可实现性关键技术成熟度影响发动机的研制难度,是本发动机研制成
9、功所必须使用的技术的实现难度和技术开发和验证、应用的成熟程度的体现,其有可能制约发动机研制的成功与否,因此总体结构布局优化与设计涉及的关键技术的成熟度越高,布局方案就越应该被采纳。国内外以往的设计、使用、维修等方面的设计经验是新机研制的重要依据之一。航空发动机设计是一门试验科学,足以可见使用和试验等经验对已有型号的数据积累对发动机设计的重要性。2.3 结构效率本文所指的“结构效率”指的是满足设计要求前提下的总体结构布局是否轻、小、结构简单3。这里不仅是结构本身,还涉及到热力循环匹配等多专业协同,整体的尺寸也涉及到外部敷设与布局等。结构简单对于航空发动机而言,涉及到的学科也很多,因此需要多专业的
10、专家协同判断和打分。重量、尺寸、结构复杂度都是参数越大,布局方案被选取的可能性越低,因此在对这几个元素进行对比时应该采用反比形式。2.4 结构完整性本次分析中,结构完整性的影响因素暂定强度储备和振动抑制。强度储备的影响因素非常多,除了直接能用仿真软件对零组件进行是否符合强度要求的评估外,还有一些难以量化的强度上的储备能力需要专家进行评估,比如低涡轴空间的预留是否考虑了系列化发展带来的功率需43DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.05.003内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n求等;振动抑制更是一个综合性很强的复杂问题,方案设计阶段无法用振动值来
11、进行衡量,需要资深总体结构、强度等专家进行综合评判,比如判断是否采取了抑制振动的方法,转子动力学评估如何等,更优的总体结构布局应该趋向于更大的强度储备能力和振动抑制水平。2.5 通用质量特性对于早期发动机的设计,更多是考虑性能指标的实现,追求高单位参数、高效率与高推重比,而对发动机的实用性与可靠性重视不够4。随着发动机性能指标的提升,发动机工作条件越来越苛刻,其内部载荷越来越大,这就对发动机的可靠性、安全性等提出了更高的要求。对于可靠性、维修性、安全性、测试性等通用质量特性,参数越大越利于方案被选取。2.6 经济性从国外实施的最新发动机研制计划来看,经济性是非常重要的一环5。美国的VAA T
12、E计划指导思想就是,在提高性能同时,更加强调降低成本,全面提升经济可承受性。全新研制一型发动机是非常耗费资金的,对于长远发展和产品实用性和竞争性而言,耐久能力强和低成本同时,还要有一定的系列化发展能力。3 布局方案评价的定量分析对于航空发动机研制初期,总体结构布局应权衡的设计准则众多,同时这些设计准则有很多难以量化,对于设计者可能同时论证了多个设计方案,但是最终方案的选取还需要各专业专家综合评价后确定。层次分析法对解决难以量化比较的多重影响因素的评价问题很有效。下面分步骤对基于层次分析法的总体结构布局评价和择优策略进行应用分析。3.1 建立评价模型图1 总体布局评价层次分析模型根据层次分析法建
13、模方法,结合航空发动机总体结构布局设计与优化中的要素,按照隶属关系建立层次关系模型如图1。其中,目标层只有一个元素,即最优的总体结构布局。准则层是对各指标进行判断的准则,指标层是对总体布局有影响的各影响因素,指标层和准则层有一定隶属关系。根据具体用户的技术要求,其中准则层和指标层的各要素可以随机变化。最底层是方案层,包括各待评价方案。3.2 构建成对比较矩阵层次分析法的内核思想就是两两对比,对于不便量化的指标层元素,采取专家打分的方法,这里的专家打分可以通过很多方法减少人为因素的不可控,比如采取德尔菲法的专家评价法,通过反复多次的背靠背评价达到评价的一致性。评价的颗粒度按照S a a t y的
14、19标度法进行打分对比6。1)方案层A对指标层C的对比矩阵本模型共有1 7个指标层对比元素,4个待选方案。每两个方案需要针对每个上一层的指标元素进行对比,形成对比矩阵。对于指标层这一层的对比,需要建立1 7个对比矩阵,每个矩阵阶数等于待评价方案的个数。以研发周期(C1)为例,研发周期对上层的贡献属于反相关关系,因此这里用反比作为比较值,其余正相关的用正比形式。构建4个方案针对研发周期的两两对比矩阵如下,其余1 6个矩阵以此类推。C1=1A 2C 1A 1C 1A 3C 1A 1C 1A 4C 1A 1C 1A 1C 1A 2C 11A 3C 1A 2C 1A 4C 1A 2C 1A 2C 1A
15、 3C 1A 2C 1A 3C 11A 4C 1A 3C 1A 1C 1A 4C 1A 2C 1A 4C 1A 3C 1A 4C 112)指标层C对准则层Z的对比矩阵本模型有6个准则层对比元素,针对准则层6个元素需要有6个对比矩阵,矩阵阶数等于准则层对应指标层元素个数。这里以适用性Z1为例,对其有主要影响的有研发周期、功能性能储备、安装考虑3个元素,因此建立针对适用性的3阶两两对比矩阵如下,其余5个对比矩阵以此类推。Z1=C 1Z 1C 1Z 1C 1Z 1C 2Z 1C 1Z 1C 3Z 1C 2Z 1C 1Z 1C 2Z 1C 2Z 1C 2Z 1C 3Z 1C 3Z 1C 1Z 1C 3
16、Z 1C 2Z 1C 3Z 1C 3Z 13)准则层Z对顶层G的对比矩阵针对次上层对最上层的贡献需要有1个6阶对比矩阵。综上,本模型需要有共2 4个对比矩阵。矩阵是否成立需要进行下一步的一致性检验。准则层Z对顶层G的对比矩阵G如下。G=1Z 1GZ 2GZ 1GZ 6GZ 2GZ 1G1Z 2GZ 6GZ 6GZ 1GZ 6GZ 2G13.3 权重向量的求解为了综合各层权重排序,需要先确定单层的权重。对每一层求解权重向量前需要将上述矩阵进行归一化处理,这里权向量求解方法有方根法和和积法等。权重向量代表的是本层几个元素对上一层的重要程度,也能体现每层元素所占评价比重,通过各层权重的叠加可以直观的得出个方案的评价过程和表现。3.4 一致性检验对于各项总体结构布局评价中各层要素的权重占比数据主要来源于专家评价打分。专家对两两对比的定性对比结果更容易掌握,而对两个以上的因素进行两两分别比较时,这就可能造成各因素的综合评价不一致,因此需532 0 2 3年第5期要对不一致程度是否可接受进行评价。层次分析法对这个问题的处理有一个公式如下,当C r 0.1时,认为两两比较矩阵的一致性可以接受,反之需
