航空发动机结构完整性研究进展

航空发动机结构完整性研究进展
摘要：航空发动机的结构完整性是至关重要的，它不仅涉及到其自身的功能、强度、刚度、振动、疲劳、蠕变、寿命、损伤容限以及可靠性，而且还必须确保
飞行器的安全、稳定以及持续的运行。

本文旨在深入探讨国际上有关航空发动机
结构完整性的最新研究进展与成果，特别是美国《发动机结构完整性大纲》以及
其他有关研究计划的历史演变，并对当前国内航空发动机结构完整性的研究现状
与未来发展提出建议。

关键词：航空航天；发动机结构；完整性
引言：航空发动机是一个极其复杂的动力机械系统，它需要承受极端的气动、热、机械载荷，并且需要能够持续运行，以确保飞行器的安全、可靠、可操控，
进而保证任务的顺利执行。

它的运行需要极大的耐受能力。

为了实现现代化高性
能飞行器，航空发动机结构必须具备良好的完整性，以确保其具有良好的使用功能、有效的工作效率、可靠的运行状态以及可持续的维护，从而达到最大限度地
减少全寿命周期成本。

1.航空发动机结构完整性的内涵及意义
航空发动机的结构完整性，也被称为结构强度，是一个复杂的概念，它包含
了多种因素，如功能、强度、刚度、变形、振动、疲劳、蠕变、损伤容限、寿命
以及结构的可靠性。

这些因素之间存在着复杂的联系，既影响着气动热力学的特征，也影响着结构材料的选择和制造工艺。

20世纪六十年代末，美国首次提出了
关于飞行器结构完整性的理论。

20世纪60年代末，F100发动机以其出色的性能
和卓越的技术，成功地打破了众多竞争对手的垄断，只需五年的时间，便可以顺
利完成1973年的试飞任务【1】。

但美国空军材料实验室的数据显示，从1963年
到1978年，3828次飞行事故中，43%的原因源自于发动机，其中包括四十七个涡
轮转子叶片和导向叶片的损坏，60个主燃油泵的故障，10个加力泵轴承的故障，8个四号轴承的故障，还有120多个其它的问题，R而这些事件的主要原因则是
结构的不完善。

多次失误导致的严重后果，使美国军队深受教训，因此，1980年
美国审计长向国会提交的《美国战斗机/攻击机发动机采办过程中的管理问题》
报告中，强调了必须加以改进，以确保发动机的安全性和可靠性。

根据报告，国
防部长指定一个机构，负责发动机的设计、分析、开发、生产以及整个使用过程
的管理。

这个机构必须具备一定的组织能力，并且必须遵守相关规定。

考虑到发
动机故障的严峻程度，以及它们对飞行器的关键性，需要从最新的零部件和技术
验证两个方面来进行耐久性测试。

在将这些测试用于实际飞行器之前，必须确保
它们已经被正确地使用。

为了确保发动机的安全、可靠且长寿命，必须加强其功能。

美国空军在F100发动机的生产上投入了巨额资金，近十一年来，他们不断
改进，最终实现了四千三百次TAC循环加速任务测试，使其可靠性和耐用性大大
提升。

尽管发动机重量增加了约六十公斤，但这一成就仍然值得称赞。

1985年，
F100-PW-二百二十发动机开始大规模生产，而当F119发动机R&D时，美国PW公
司从中吸取教训，提出了一种综合考虑发动机各项特性的设计准则，即以推重比
为基础，同时兼顾可制造性、可靠性、耐久性、维修性、操作性和成本等因素。

在20世纪80年代中期，美国GE公司在F404发动机的R&D中坚持以性能和可靠
性为基础，将其设计重点定位为：作战适用性、可靠性、维修性、成本、性能和
质量。

此外，GE还提出了F110发动机的开发计划，旨在替换f - 16飞机的发动机，其重点在于耐用性、适用性和全寿命周期成本，以满足客户的需求，并确保
发动机的可靠性和可用性。

在实践过程中，f - 16飞机的发动机结构完整性得到
了充分的实施，结构可靠性和耐久性得到了显著的提升，使其在市场上的份额大
大超过F100发动机。

经过多年的实践，现代高性能航空发动机的设计与开发已经超越了仅仅追求
高性能的局限，而是以综合考虑性能、适用性、可靠性、耐久性以及全寿命周期
成本等因素为基础，进行了一系列的调整，这标志着航空发动机技术的重大转型。

1.国内航空发动机结构完整性的研究现状
中国已经有很长一段时间没有进行航空发动机的全面改造，但是近年来，中
国已经开始重视对飞行器的安全性进行更深入的研究。

为了更好地理解这些问题，中国已经参考了美国《1783大纲》的框架，并参考了美国某家航空公司的研究成果。

此外，中国还参考了国际上的强度标准和规范，并根据中国的实际情况，编
写了《飞行器安全指南》和《飞行器安全指南》，为飞行器的安全提供了指导。

根据我国航空发动机的设计要求、内容、方法以及评估标准，对其结构强度进行
了全面的检验与分析。

针对发动机的设计，我们严格遵守《航空涡轴、涡桨发动
机转子系统结构设计准则》、《航空涡轮喷气、涡轮风扇发动机通用规范》、民
航发动机适航规章以及发动机型号规范的规定，并且通过多次的计算分析，确保
其结构的强度、振动、使用寿命以及可靠性。

此外，我们还对各个零部件及整机
的强度、振动、耐久性以及可靠性进行了严格的检查与测试，以确保发动机的安
全运行【2】。

通过引入先进的实验测试技术，我们已经收集到大量有价值的数据
与信息。

在中国航空发动机的研发历程中，不仅排除了各种发动机故障，而且还
积累了丰富的经验和教训，使得我们拥有了较强的研究能力和技术水平，为未来
的发展提供了坚实的基础。

尽管近年来我国在航空发动机的设计、研制、使用以及发展方面取得了一定
的进步，但仍存在着许多挑战，其中包括发展理念、管理决策、技术基础、资金
投入等多种因素，这些都导致了我国在航空发动机结构完整性方面的能力和水平
有待提高。

尽管我国的航空发动机结构完整性研究仍处于初级阶段，但已经开始
有了一定的进展，以确保其具备良好的安全性、可靠性和耐久性。

近几十年，由
于缺乏全面的综合研究，以及局部跟踪的创新研究，使得我国航空发动机的结构
强度设计出现了结构与强度的脱节、对结构设计细节的忽视等问题【3】。

为此，
我们需要建立起一套具有本土特色的结构强度设计准则和评估准则，以更好地满
足当今航空发动机的需求，并且能够更好地指导其结构完整性的设计。

由于缺乏
有效的结构强度设计，中国的航空发动机存在着严峻的完整性挑战、可靠性极低、故障频发，甚至会导致严重的结构损坏，严重威胁到飞行安全。

为了确保结构的稳定，我们需要对其进行有效的控制，包括降低流动的振动、减少高周疲劳、降低低周疲劳和蠕变，并且确定其受损的容忍度【4】。

我们还需
要在发动机动力学与振动控制、优化设计理论与方法、可靠性设计理论与方法、
损伤安全分析与评估、结构完整性探索等方面进行更加深入、系统、创新的研究。

为了更好地实现中国航空发动机的可持续发展，将从国际上汲取经验，并结合本
国实际情况，研究制定一套符合国家标准、能够反映本国航空动力工业最新技术、能够满足精确、全面、可靠以及高效的航空发动机结构强度设计规范。

通过实施
有效的程序化、规范化的措施，加强对航空发动机结构完整性的管理，不断提升
其技术能力，以满足当今航空动力技术及其相关领域的需求。

结语
综上所述，对于目前的航空发动机结构完整性的研究仍还在进步当中，因此，应多多吸取各国对于航空发动机结构完整性的研究经验，并总结出自己的研究方案，才能够使我国的航天事业走的更远。

参考文献
[1]李其汉.航空发动机结构完整性研究进展[J].航空发动
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[2]王桂华,蔚夺魁,洪杰,王艺.航空发动机可靠性试验方法研究[J].航空发
动机,2014,40(05):13-17+2.2014.05.003.
[3]许锷俊.航空发动机导管结构完整性要求的初步研究[J].航空发动
机,1994(03):53-62.
[4]金中平.航空发动机结构完整性大纲[J].航空标准化与质
量,1990(04):27-29.1990.04.004.。