發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇軸試驗(yàn)器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)有限元分析

夏毅銳 戴京濤 孫海霞

（海軍航空大學(xué)，青島 266041）

目前，我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)事業(yè)已經(jīng)得到快速發(fā)展，為了進(jìn)一步開展發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)工作，人們需要在發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中進(jìn)行風(fēng)扇軸靜力試驗(yàn)。通常情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇軸試驗(yàn)器能夠滿足風(fēng)扇軸承受多種荷載作用，這些作用包括彎矩荷載、扭矩荷載等。在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇軸試驗(yàn)器設(shè)計(jì)中，試驗(yàn)人員需要注意兩方面問題，一方面風(fēng)扇軸試驗(yàn)件剛度要滿足試驗(yàn)要求，另一方面試驗(yàn)器關(guān)鍵部位的強(qiáng)度要滿足試驗(yàn)要求，這樣才能體現(xiàn)風(fēng)扇軸試驗(yàn)的真實(shí)情況。為了確保風(fēng)扇試驗(yàn)器設(shè)計(jì)滿足要求，本文對(duì)軸承座剛度設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一個(gè)含外齒結(jié)構(gòu)的套齒卡鍵，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇軸試驗(yàn)器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇軸試驗(yàn)器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

1.1 軸承座設(shè)計(jì)

通常，為了體現(xiàn)風(fēng)扇軸試驗(yàn)器的真實(shí)情況，在發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇軸試驗(yàn)中，風(fēng)扇軸試驗(yàn)件支持的剛度有一定要求。本次研究的試驗(yàn)件支持為軸承座，軸承座上半部對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行軸向和徑向約束，主要用來(lái)模擬試驗(yàn)器深溝球軸承對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇軸的約束效果；軸承座下半部對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行徑向約束，主要用來(lái)模擬試驗(yàn)器軸承對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇軸約束的效果。軸承座的剛度具體設(shè)計(jì)要求為：上軸承座徑向剛度為6000N/mm，下軸承座徑向剛度為25000N/mm。此次軸承座有限元模型是由板殼元所建立的，下軸承座的上部加以約束，主要用來(lái)模擬軸承座與試驗(yàn)件固定座的連接效果。

1.2 套齒嚙合設(shè)計(jì)

一般情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇軸內(nèi)部都會(huì)有內(nèi)齒設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以便使其扭矩荷載施加到試驗(yàn)件上[1]。本次研究設(shè)計(jì)了一個(gè)擁有外齒結(jié)構(gòu)的套齒卡鍵上半部與試驗(yàn)器其他部位進(jìn)行連接，此連接方式由于可不移動(dòng)，可視為剛性連接，其連接作用為利用套齒卡鍵向試驗(yàn)件傳遞扭矩荷載；對(duì)于套齒卡鍵下半部分來(lái)說(shuō)，套齒卡鍵上的外齒結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)件內(nèi)齒進(jìn)行嚙合連接，使其通過套齒卡鍵將扭矩傳達(dá)到試驗(yàn)件上。扭矩荷載通過套齒卡鍵與試驗(yàn)件內(nèi)齒嚙合接觸的形式進(jìn)行傳遞，在試驗(yàn)過后，將套齒卡鍵與試驗(yàn)件相嚙合接觸的一對(duì)齒進(jìn)行分析研究，同時(shí)采用體元建立有限元模型，模擬其接觸嚙合關(guān)系。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇軸試驗(yàn)器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 軸承座剛度分析

現(xiàn)階段，我國(guó)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)已經(jīng)獲得了顯著成果，低能耗、高效率、低噪音、高輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠滿足大多數(shù)用戶的需求[2]。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量仍有許多問題，軸承座剛度是影響發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的重要因素。軸承座剛度隨著重量減輕而逐漸減小，同時(shí)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒方式的改變，其需要承受更高的功率，這導(dǎo)致軸承在極度苛刻的操作條件下工作。為了使其設(shè)計(jì)更加可靠、穩(wěn)定，對(duì)軸承座剛度進(jìn)行分析是十分必要的。為了驗(yàn)證軸承座剛度是否滿足其設(shè)計(jì)需求，本次研究對(duì)下軸承座上半部進(jìn)行加固約束，同時(shí)對(duì)于上軸承座與下軸承座的連接處運(yùn)用MPC模擬螺栓進(jìn)行連接，在試驗(yàn)過程中對(duì)下軸承座下半部施加25000N荷載，在施加端最大位移為0.814mm，下軸承座剛度數(shù)值為30713N/mm，而下軸承座徑向剛度設(shè)計(jì)數(shù)值為25000N/mm，減去20%的設(shè)計(jì)余量，其試驗(yàn)數(shù)值大于設(shè)計(jì)數(shù)值剛度，滿足軸承座剛度設(shè)計(jì)要求。對(duì)于上軸承座上半部來(lái)說(shuō)，在上半部加以25000N荷載，施加部位最大位移為0.359mm，剛度為69638N/mm，上軸承座徑向剛度設(shè)計(jì)值為60000N/mm，減去20%的設(shè)計(jì)余量，其試驗(yàn)數(shù)值大于設(shè)計(jì)數(shù)值，剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 軸承座強(qiáng)度分析

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，軸承座將承受強(qiáng)烈的荷載作用，這些荷載作用包括螺栓預(yù)緊荷載、曲軸動(dòng)荷載及熱負(fù)荷[3]。在進(jìn)行軸承座強(qiáng)度分析時(shí)，通常情況下，軸承座對(duì)試驗(yàn)件起到支持作用，其主要承受試驗(yàn)彎矩和軸向荷載，軸向荷載主要由深溝球的軸承上半部承擔(dān)；在受到彎矩作用時(shí)，試驗(yàn)件會(huì)產(chǎn)生形變，同時(shí)上半部以及下半部軸承座承受著來(lái)自相反方向的作用力，此時(shí)試驗(yàn)件中形成力偶。在對(duì)軸承座施加彎矩作用以及軸向荷載時(shí)，軸承座所受最大應(yīng)力值為661MPa，處在下軸承座開孔上半部，接近上軸承座和下軸承座連接處的開孔所受應(yīng)力也較大；軸承座應(yīng)力值在比較平均處的最大值為550MPa，處于上軸承座下半部的開孔附近。而軸承座材料的強(qiáng)度極限為1175MPa，高于其上軸承座以及下軸承座的強(qiáng)度，根據(jù)所得數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析可知，軸承座的強(qiáng)度滿足相關(guān)要求。

2.3 套齒嚙合接觸力分析

扭矩荷載的傳遞是通過套齒嚙合接觸方式進(jìn)行，本次研究試驗(yàn)共有44對(duì)齒，應(yīng)力值較大[4-5]。本次研究考慮其具體受力情況，只取一對(duì)套齒進(jìn)行研究分析。假設(shè)每對(duì)齒的接觸嚴(yán)密程度相同，同時(shí)所承受的扭矩作用也完全相同，其受力呈現(xiàn)均勻分布，其產(chǎn)生的彎矩與扭矩相同。另外，采取ABAQUS有限元軟件的主從接觸算法進(jìn)行線性分析，其套齒接觸所受最大應(yīng)力為312.1MPa，應(yīng)力平均處為200MPa；試驗(yàn)件接觸面的最大應(yīng)力為605.1MPa，應(yīng)力均勻處為350MPa。而所采用的套齒卡鍵材料為35CrMnSiA，此材料極限為1600MPa，屈服強(qiáng)度為1654MPa，經(jīng)過分析得出結(jié)論，套齒卡鍵與試驗(yàn)件的強(qiáng)度滿足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇軸在運(yùn)行過程中承受多種荷載的作用，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇軸試驗(yàn)器是進(jìn)行風(fēng)扇軸試驗(yàn)的專用設(shè)備，試驗(yàn)器的剛度強(qiáng)度很大程度影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、真實(shí)性。因此，本文對(duì)試驗(yàn)器軸承座的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行詳細(xì)分析，同時(shí)對(duì)套齒嚙合接觸應(yīng)力進(jìn)行分析。結(jié)果表明，軸承座剛度與強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)套齒卡鍵以及試驗(yàn)件關(guān)鍵部位的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。本次研究結(jié)果可以為我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)事業(yè)提供有效的數(shù)據(jù)支持。

[1]陶冶，田琳，解夢(mèng)濤，等.大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)量試飛[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2017，43（3）：68-73.

[2]孫萬(wàn)超，廖連芳，陳璐璐，等.風(fēng)扇軸高/低周復(fù)合疲勞試驗(yàn)方法研究及設(shè)計(jì)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2017，32（6）：1349-1358.

[3]周宏奎，余放，楊坤.航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇地面慢車關(guān)鍵結(jié)冰溫度分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017，17（21）：324-328.

[4]沈曉駿，汪誠(chéng)，安志斌，等.斜激光沖擊對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇軸彎曲疲勞性能的影響[J].紅外與激光工程，2015，44（12）：3548-3553.

[5]馬艷紅，曹沖，郝勇，等.齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)分析[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2015，30（11）：2753-2761.