大涵道比渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)支點(diǎn)剛度敏感性分析

王開(kāi)明　廖連芳　王衛(wèi)國(guó)

摘 要：利用整機(jī)有限元模型，對(duì)大涵道比渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)支點(diǎn)剛度進(jìn)行了敏感性分析，量化給出了傳力路徑上各環(huán)節(jié)對(duì)支點(diǎn)剛度的影響程度，通過(guò)對(duì)比分析，總結(jié)出發(fā)動(dòng)機(jī)各支點(diǎn)剛度敏感的相關(guān)結(jié)構(gòu)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及支點(diǎn)剛度優(yōu)化提供重要支撐。

關(guān)鍵詞：整機(jī)有限元模型；支點(diǎn)剛度；敏感性

引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要滿足強(qiáng)度壽命要求，同時(shí)也要關(guān)注對(duì)結(jié)構(gòu)剛度與變形的控制。剛度與動(dòng)力特性緊密相關(guān)，剛度也對(duì)變形起到重要影響。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)軸承和支點(diǎn)與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣連接，支點(diǎn)剛度對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性起到關(guān)鍵作用。支點(diǎn)剛度主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)靜子結(jié)構(gòu)件特性，各機(jī)匣對(duì)支點(diǎn)剛度均有不同程度的影響。為了優(yōu)化支點(diǎn)剛度，滿足轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性要求，研究各支點(diǎn)剛度對(duì)各機(jī)匣剛度的敏感性，能夠幫助設(shè)計(jì)人員找到關(guān)鍵部位，縮小優(yōu)化范圍，提高工作效率。關(guān)于支點(diǎn)剛度對(duì)各機(jī)匣剛度敏感性的研究目前未見(jiàn)發(fā)表，北航洪杰等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)承力系統(tǒng)抗變形能力評(píng)估方法進(jìn)行了探索，主要從支承結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)角度提出了相關(guān)評(píng)價(jià)參數(shù)，研究?jī)?nèi)容與本文具有一定關(guān)聯(lián)，但沒(méi)有涉及敏感性評(píng)估。

1支點(diǎn)剛度定義

在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝狀態(tài)下，各支點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)子均起到支承作用，轉(zhuǎn)子在支點(diǎn)作用的力與支點(diǎn)在該力方向上的位移之比為支點(diǎn)剛度。對(duì)應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可利用整機(jī)有限元模型，在各軸承座位置施加集中力，力與該位置位移的比值即為支點(diǎn)剛度。支點(diǎn)剛度反映發(fā)動(dòng)機(jī)傳力路徑的剛性，組成發(fā)動(dòng)機(jī)傳力路徑的每個(gè)靜子件均會(huì)對(duì)支點(diǎn)剛度產(chǎn)生影響。圖1為典型大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)傳力路徑示意。

2支點(diǎn)剛度計(jì)算方法

2.1計(jì)算模型

整機(jī)支點(diǎn)剛度計(jì)算基于整機(jī)有限元模型進(jìn)行，模型包括靜子機(jī)匣和各支點(diǎn)軸承座?？紤]到安裝系統(tǒng)對(duì)整機(jī)剛度的弱化作用，可分別計(jì)算加入安裝系統(tǒng)和去掉安裝系統(tǒng)的有限元模型支點(diǎn)剛度。本文以如圖2所示大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型作為示例，包括發(fā)動(dòng)機(jī)及安裝系統(tǒng)。有限元模型在條件具備時(shí)還應(yīng)包括短艙和吊架。

2.2約束方式

計(jì)算帶有安裝系統(tǒng)模型的整機(jī)剛度時(shí)，對(duì)前后安裝節(jié)平臺(tái)進(jìn)行固支約束；計(jì)算不帶安裝系統(tǒng)模型的整機(jī)剛度時(shí)，在安裝系統(tǒng)與機(jī)匣連接位置進(jìn)行相應(yīng)約束，用以等效安裝系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的約束。兩種模型具體約束方式如表1所示。需要指出的是，根據(jù)不同項(xiàng)目型號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可對(duì)約束方式進(jìn)行調(diào)整。本文采用帶安裝系統(tǒng)的模型進(jìn)行計(jì)算，即模型1的約束方式。

2.3載荷施加方式

整機(jī)剛度計(jì)算時(shí)在對(duì)應(yīng)支點(diǎn)的軸承座內(nèi)圈加載載荷，如圖3所示（2#支點(diǎn)剛度計(jì)算）。加載方式可根據(jù)實(shí)際需要選擇集中力加載或分布力加載。集中力加載方式可計(jì)算整機(jī)支承的軸向、側(cè)向和垂向剛度，分布力加載方式適用于計(jì)算側(cè)向和垂向剛度。本文采用集中加載方式，集中力加載如圖3所示，計(jì)算時(shí)在加載位置中心建立主節(jié)點(diǎn)，與對(duì)應(yīng)加載位置的節(jié)點(diǎn)組建立RBE3連接，在主節(jié)點(diǎn)施加集中力，提取主節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行剛度計(jì)算。

3支點(diǎn)剛度敏感性計(jì)算

在傳力路徑上各機(jī)匣對(duì)支點(diǎn)剛度均有不同程度影響，若支點(diǎn)剛度不滿足設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際工程中需要對(duì)傳力路徑上的某一環(huán)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改，因此迫切需要快速找出關(guān)鍵影響環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。按照常規(guī)方法，應(yīng)將整機(jī)模型中各機(jī)匣結(jié)構(gòu)修改后的模型進(jìn)行替換，再計(jì)算各支點(diǎn)剛度。由于修改機(jī)匣結(jié)構(gòu)具有較多方案選擇，對(duì)應(yīng)有限元模型的修改及匹配也需要大量時(shí)間，該做法效率較低。

本文采用修改楊氏模量來(lái)等效結(jié)構(gòu)的修改，因?yàn)閷?duì)支點(diǎn)剛度影響較大的是結(jié)構(gòu)的剛度，而結(jié)構(gòu)的剛性是其材料和幾何形式共同作用的體現(xiàn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)流道確定后，靜子件結(jié)構(gòu)形式及主要尺寸基本確定，如長(zhǎng)度、直徑等，后續(xù)的強(qiáng)度剛度優(yōu)化均為小幅調(diào)整壁厚，在該條件下，改變楊氏模量和改變結(jié)構(gòu)對(duì)剛度的影響趨勢(shì)可以認(rèn)為是一致的。

在計(jì)算時(shí)，采用逐個(gè)單獨(dú)調(diào)整某機(jī)匣材料楊氏模量，將其增加5%，其它機(jī)匣及零件材料屬性保持不變，利用整機(jī)有限元模型分別計(jì)算各支點(diǎn)剛度，并且與初始模型（材料調(diào)整前）計(jì)算出的剛度進(jìn)行比較，從而得到各機(jī)匣/支承結(jié)果剛度變化對(duì)各支點(diǎn)剛度變化的貢獻(xiàn)量。材料參數(shù)的修改很容易在ANSYS軟件APDL語(yǔ)言中實(shí)現(xiàn)，不同機(jī)匣材料參數(shù)的修改及計(jì)算均編制APDL程序一次算完，大幅度降低手動(dòng)操作，節(jié)省時(shí)間。調(diào)整各機(jī)匣楊氏模量對(duì)支點(diǎn)剛度的影響程度如圖4、圖5所示。

4結(jié)果分析

從計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)不同支點(diǎn)剛度，最敏感環(huán)節(jié)存在較大區(qū)別，各支點(diǎn)剛度敏感性分析結(jié)果如下：

（1）1、2支點(diǎn)剛度對(duì)中介機(jī)匣支板及內(nèi)環(huán)剛度、1支點(diǎn)和2支點(diǎn)錐壁剛度變化較為敏感，中介機(jī)匣外環(huán)對(duì)1、2支點(diǎn)剛度也具有一定影響，但相比前三者較弱。壓氣機(jī)、燃燒室機(jī)匣對(duì)1支點(diǎn)剛度也具有一定影響，主要原因是在安裝狀態(tài)下，1支點(diǎn)與前安裝節(jié)存在一定軸向距離，在力矩作用下，1支點(diǎn)與中介機(jī)匣繞前安裝節(jié)位置偏轉(zhuǎn)，壓氣機(jī)機(jī)匣和燃燒室機(jī)匣通過(guò)后安裝節(jié)對(duì)中介機(jī)匣形成約束。由此可見(jiàn)，1、2支點(diǎn)剛度與其錐壁彎曲剛度相關(guān)，也與中介機(jī)匣自身剛度及在整機(jī)環(huán)境下的偏轉(zhuǎn)相關(guān)，即與壓氣機(jī)和燃燒室機(jī)匣的彎曲剛度相關(guān)。

（2）3支點(diǎn)剛度主要取決于中介機(jī)匣剛度，中介機(jī)匣的支板及內(nèi)環(huán)是主要影響結(jié)構(gòu)，外環(huán)影響相對(duì)較弱，說(shuō)明對(duì)于3支點(diǎn)，主承力框架剛度是主要影響環(huán)節(jié)，因?yàn)?支點(diǎn)軸向位置和前安裝節(jié)位置基本重合，徑向傳力路徑直接從支點(diǎn)垂直至前安裝節(jié)。

（3）4支點(diǎn)剛度主要取決于級(jí)間機(jī)匣剛度，級(jí)間機(jī)匣的外環(huán)和支板影響都很明顯，與級(jí)間機(jī)匣相鄰的燃燒室機(jī)匣和低壓渦輪機(jī)匣對(duì)4#支點(diǎn)剛度也具有一定影響。因?yàn)?支點(diǎn)徑向傳力路徑首先通過(guò)級(jí)間機(jī)匣結(jié)構(gòu)，再通過(guò)燃燒室機(jī)匣和低壓渦輪機(jī)匣傳遞至前后安裝節(jié)。因此4支點(diǎn)剛度與級(jí)間機(jī)匣剛度相關(guān)，同時(shí)與燃燒室機(jī)匣和低壓渦輪機(jī)匣彎曲剛度相關(guān)。

（4）5支點(diǎn)剛度主要取決于渦輪后機(jī)匣剛度，后機(jī)匣外環(huán)影響最大，其次為支板、內(nèi)機(jī)匣及錐壁。低壓渦輪機(jī)匣、級(jí)間機(jī)匣外環(huán)、燃燒室機(jī)匣及壓氣機(jī)機(jī)匣對(duì)5支點(diǎn)剛度也具有一定影響。主要原因是在安裝狀態(tài)下，5支點(diǎn)與后機(jī)匣繞后安裝節(jié)位置偏轉(zhuǎn)，低壓渦輪機(jī)匣、級(jí)間機(jī)匣外環(huán)、高壓渦輪機(jī)匣、燃燒室機(jī)匣及壓氣機(jī)機(jī)匣通過(guò)前安裝節(jié)對(duì)渦輪后機(jī)匣形成約束，與1支點(diǎn)類(lèi)似。由此可見(jiàn)，5支點(diǎn)剛度與其錐壁彎曲剛度相關(guān)，也與渦輪后機(jī)匣自身剛度及其在整機(jī)環(huán)境下的偏轉(zhuǎn)相關(guān)，即與低壓渦輪機(jī)匣、級(jí)間機(jī)匣外環(huán)、高壓渦輪機(jī)匣、燃燒室機(jī)匣和壓氣機(jī)機(jī)匣的彎曲剛度相關(guān)。

5結(jié)語(yǔ)

利用整機(jī)有限元模型，對(duì)大涵道比渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)支點(diǎn)剛度進(jìn)行了敏感性分析，針對(duì)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型，量化給出了傳力路徑上各環(huán)節(jié)對(duì)支點(diǎn)剛度的影響程度，并總結(jié)出發(fā)動(dòng)機(jī)各支點(diǎn)剛度影響規(guī)律和相關(guān)結(jié)構(gòu)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及支點(diǎn)剛度優(yōu)化提供重要支撐。

6展望

在本文的基礎(chǔ)上，后續(xù)可進(jìn)一步研究綜合考慮各機(jī)匣強(qiáng)度、壽命、重量及剛度，采用優(yōu)化算法，給出滿足各項(xiàng)要求的優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案，并形成實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐峰，馬艷紅，張力，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)承力系統(tǒng)抗變形能力評(píng)估.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2016-7-20.