航空发动机控制系统供油机构建模及动态特性研究

【类型】学位论文

【作者】曾德堂 

【关键词】 供油机构 建模方法 状态空间模型 结构参数优化 热力学计算 弹性变形 振动特性

【摘要】随着航空发动机控制系统对供油机构性能要求的不断提高，以及供油机构在发动机工作过程中的重要地位，其工作的安全性和可靠性受到越来越多人的重视，建模仿真方法作为提高产品质量，保证设计的可靠性，以及方便分析系统动态性能等优势，近年来得到快速发展，并在航空产品设计中发挥越来越重要的作用。发动机供油机构的建模仿真方法涉及机械、液压及力学等多学科领域，通过仿真方法对机构的热、力学、振动及供油等性能进行全面评估是保证产品质量及可靠性的前提，传统领域对供油机构仿真研究仅侧重于供油性能，对机构工作过程中其他包括热、力学及振动等性能研究很少。 本文以航空发动机控制系统供油机构为研究对象，除对机构供油性能研究外，还基于单元体隔离法、非线性、热及柔性力学等理论，研究了状态空间、非线性、热力学及柔性力学等建模方法，建立了供油机构的状态空间、非线性、热力学及柔性力学等仿真模型，针对上述模型重点研究了供油机构的稳定性、温升、弹性形变以及振动等动静态特性，并进一步围绕供油机构结构参数优化、抗干扰性及产生振动机理等进行了深入的研究和探讨，其主要内容如下：1．通过对供油机构结构特点进行分析，提出了供油机构单元体隔离建模方法，建立了供油机构状态空间模型，研究了某型供油机构阶跃响应特性，探讨了基于线性理论分析供油机构动态性能方法，分析了机构输入压差、输出流量变化对系统伺服跟踪及抗干扰性的影响，并进一步通过Routh判据针对供油执行机构稳定性及动态性能进行研究。2．针对供油机构的非线性模型在方案设计及结构参数优化等方面的重要作用，首先研究了供油机构非线性建模方法，建立了供油机构元件及系统非线性仿真模型，数值仿真并分析了供油机构压差及计量流量等性能，基于仿真结果及设计参数提炼出优化目标，通过采用Hooke-Jeeves算法，对供油机构结构参数进行优化。3．针对供油机构热计算及温升问题，首先对供油机构部件进行了热分析，研究了供油机构热力学建模方法，基于热力学定律建立了泵、管道、油箱及活门的热分析模型，通过AMEsim求解器仿真计算并获得了某型供油机构低温及大流量回油工况下油温特性，探讨了低温对机构性能以及大流量回油对燃油温升的影响，通过上述研究为今后供油机构的改进及油温预测提供依据。4．针对供油机构弹性变形问题，提出了一种基于柔性动力学理论建模方法，研究了齿轮泵柔性建模及求解过程，建立了齿轮及轴的柔性力学模型，通过仿真计算获得了齿轮泵部件在各工况下动态特性，并分析了刚性模型与柔性模型数值仿真结果的差异，并进一步通过有限元及柔性力学理论探讨了转速对齿轮轴应变的影响，获得齿轮轴应变云图。5．针对供油机构共振及振动机理问题，分析了供油机构振源及相关频率特性，得到了机构频谱图，通过试验方法获得系统相关振动特性数据，利用快速傅里叶变换算法获得了供油机构频域特性，探讨了振动产生的机理。本文通过上述研究，获得了供油机构性能全面评估的方法，为今后控制系统供油机构设计、改型及特性试验等具有指导意义。

【学位名称】博士

【学位授予单位】北京航空航天大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】王曦

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