多軸載荷下發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣強(qiáng)度試驗(yàn)方法研究

周煥陽，張根，姚明格，羅旺，雷新亮，柳強(qiáng)

（1.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462；2.中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500）

引言

中介機(jī)匣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要承力構(gòu)件，它處于風(fēng)扇和外涵道中間，聯(lián)系著航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)、外涵道，負(fù)擔(dān)分配內(nèi)、外涵道比的任務(wù)；另外，中介機(jī)匣上安裝有2個(gè)主安裝節(jié)、1個(gè)輔助安裝邊、2個(gè)支點(diǎn)軸承，用于支撐和固定發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的各個(gè)重要部件[1-4]。在典型工況下，中介機(jī)匣各安裝邊受到氣動(dòng)載荷和機(jī)動(dòng)載荷引起的多軸載荷總數(shù)多達(dá)24個(gè)，受力十分復(fù)雜。而在不同飛行工況下，中介機(jī)匣上承受的氣動(dòng)載荷和機(jī)動(dòng)載荷是隨機(jī)變化的，其組合工況復(fù)雜多變[5]。因此，針對(duì)中介機(jī)匣承受的多軸載荷進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，研究其在最大載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的安全設(shè)計(jì)具有十分重要的意義[6]。

中介機(jī)匣在多軸載荷作用下構(gòu)件上承受的載荷工況組合太多，如果僅針對(duì)單一工況設(shè)計(jì)專用強(qiáng)度試驗(yàn)加載方案，會(huì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力且費(fèi)用較高。因此，本文分析了某發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣結(jié)構(gòu)承受多軸載荷的特點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了在多軸載荷狀態(tài)下一種通用的載荷施加方案，不改變作動(dòng)筒加載點(diǎn)位置和方向的前提下，能夠滿足不同機(jī)動(dòng)載荷和氣動(dòng)載荷組合形成的多軸載荷的強(qiáng)度試驗(yàn)要求。

1 某發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和載荷要求

1.1 中介機(jī)匣結(jié)構(gòu)組成

中介機(jī)匣結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由風(fēng)扇機(jī)匣安裝邊、外涵機(jī)匣安裝邊、壓氣機(jī)匣安裝邊、2#支點(diǎn)軸承座、3#支點(diǎn)軸承座以及承力支板構(gòu)成。中介機(jī)匣承力支板為承力結(jié)構(gòu)，不僅連接著風(fēng)扇機(jī)匣、2#支點(diǎn)軸承座、3#支點(diǎn)軸承座，其中部還與高壓壓氣機(jī)機(jī)匣相連。中介機(jī)匣的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，承力支板、安裝節(jié)孔等主要承力部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。

圖1 中介機(jī)匣結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 中介機(jī)匣承受的主要載荷

中介機(jī)匣的載荷因工作狀態(tài)不同，有所差別，具體可歸為如下3類情況：①在工作狀態(tài)下，中介機(jī)匣承受軸向載荷、扭矩、氣體壓力等載荷；②在機(jī)動(dòng)飛行情況下，除正常穩(wěn)態(tài)載荷外，中介機(jī)匣還承受相應(yīng)的外部載荷；③葉片飛失等非正常情況時(shí)，中介機(jī)匣承受因葉片飛失引起的沖擊載荷。

采用直角坐標(biāo)系進(jìn)行載荷分析：X 軸與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線重合，逆航向?yàn)檎?；Z 軸為豎直方向，向上為正；Y 軸由右手定則確定，順航向向右為正。

中介機(jī)匣上各安裝邊承受的主要載荷有：

1）風(fēng)扇機(jī)匣安裝邊：氣動(dòng)載荷，力Fx、扭矩Mx；機(jī)動(dòng)載荷，力Fx、Fy、Fz與力矩Mx、My、Mz。合并后仍有6個(gè)載荷。

2）外涵機(jī)匣安裝邊：氣動(dòng)載荷，力Fx、扭矩Mx；機(jī)動(dòng)載荷，力Fx、Fy、Fz與力矩Mx、My、Mz。合并后仍有6個(gè)載荷。

3）壓氣機(jī)匣安裝邊：氣動(dòng)載荷，力Fx、扭矩Mx；機(jī)動(dòng)載荷，力Fx、Fy、Fz與力矩Mx、My、Mz。合并后仍有6個(gè)載荷。

4）2#支點(diǎn)安裝邊：氣動(dòng)載荷，力Fx；機(jī)動(dòng)載荷，力Fx、Fy、Fz。合并后仍有3個(gè)載荷。

5）3#支點(diǎn)安裝邊：氣動(dòng)載荷，力Fx；機(jī)動(dòng)載荷，力Fx、Fy、Fz。合并后仍有3個(gè)載荷。

對(duì)于中介機(jī)匣各安裝邊，典型工況受到的多軸載荷總計(jì)達(dá)24個(gè)?？紤]到在不同飛行任務(wù)下會(huì)有著不同的氣動(dòng)負(fù)荷，不同的機(jī)動(dòng)飛行也會(huì)有著不同的過載系數(shù)，以及葉片飛失等非正常情況下的沖擊載荷，發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣實(shí)際受到的載荷具有很多種組合。按照我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際飛行情況，GJB 241-87《航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》中確定了141個(gè)機(jī)動(dòng)載荷，要求發(fā)動(dòng)機(jī)必須滿足其強(qiáng)度要求[7]。對(duì)中介機(jī)匣進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證，需要進(jìn)行載荷組合計(jì)算，確定不同飛行工況下的最大載荷。針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣，通過有限元計(jì)算，在各安裝邊上施加不同的氣動(dòng)載荷和機(jī)動(dòng)載荷，獲得了穩(wěn)態(tài)載荷下的最大氣動(dòng)載荷、限制載荷下的2種典型大載荷、極限載荷下的4種典型大載荷[6]。

中介機(jī)匣在多軸載荷作用下構(gòu)件上承受的載荷工況組合太多，受力情況復(fù)雜，如果僅針對(duì)單一工況設(shè)計(jì)專用強(qiáng)度試驗(yàn)加載方案，會(huì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力且費(fèi)用較高[8]。因此，針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣結(jié)構(gòu)承受多軸載荷的通用特征，設(shè)計(jì)一種通用的載荷施加方案，不需要改變作動(dòng)筒加載點(diǎn)位置和方向的前提下，能夠滿足不同機(jī)動(dòng)載荷和氣動(dòng)載荷組合形成的多軸載荷工況的強(qiáng)度試驗(yàn)要求。

2 強(qiáng)度試驗(yàn)通用方案

下面將針對(duì)中介機(jī)匣在多軸載荷作用下的典型工況載荷（5個(gè)安裝邊上共計(jì)24個(gè)載荷），設(shè)計(jì)一種通用的載荷施加方案，不需要改變作動(dòng)筒加載點(diǎn)位置和方向的前提下，能夠滿足不同機(jī)動(dòng)載荷和氣動(dòng)載荷組合形成的多軸載荷工況的強(qiáng)度試驗(yàn)要求。

2.1 約束分析

為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)安裝方式，試驗(yàn)件采用主安裝節(jié)約束的方式，試驗(yàn)件使用立式安裝方式，主安裝節(jié)中心軸與地基平臺(tái)高 2500 mm。同時(shí)，為便于載荷施加，需限制試驗(yàn)件繞主安裝節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)自由度，設(shè)計(jì)輔助支撐工裝將外涵模擬機(jī)匣安裝邊與框架和地基平臺(tái)連接起來。輔助支撐工裝采用 1/8 圓周的扇形，輔助支撐底部的單耳片與底座的雙耳通過銷軸連接，以避免產(chǎn)生多余約束。從外涵模擬機(jī)匣安裝邊到輔助支撐單耳圓孔中心距離長980 mm。靜力試驗(yàn)試驗(yàn)件的邊界約束如圖1（b）所示。

2.2 載荷施加方案

為更好模擬中介機(jī)匣的實(shí)際承載情況，在中介機(jī)匣各安裝邊處均增加一段模擬機(jī)匣，故本次的試驗(yàn)件包括中介機(jī)匣、風(fēng)扇模擬機(jī)匣、外涵模擬機(jī)匣、壓氣機(jī)模擬機(jī)匣、 2#支點(diǎn)轉(zhuǎn)接段、3#支點(diǎn)轉(zhuǎn)接段。

下面以以風(fēng)扇機(jī)匣安裝邊承受Fx、Fy 、Fz 、Mx、My、Mz共6個(gè)載荷為例，來說明載荷施加方案。安裝邊載荷等效過程如圖2（a）所示。根據(jù)公式（1）～（6），風(fēng)扇機(jī)匣載荷施加一共需要7個(gè)加載作動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)Fx、Fy 、Fz 、Mx、My、Mz共6個(gè)載荷的施加，風(fēng)扇機(jī)匣加載方案見圖3（a）。各個(gè)加載作動(dòng)器的前端與風(fēng)扇機(jī)匣安裝邊均采用球鉸連接，消除其余方向的載荷誤差。

圖2 典型風(fēng)扇安裝邊靜力載荷等效示意圖

而對(duì)于外涵機(jī)匣安裝邊，由于其與壓氣機(jī)匣距離較短，為了錯(cuò)開空間便于加載，可以在外涵機(jī)匣加載工裝的外環(huán)面上的4個(gè)軸向加載作動(dòng)器，沿同一圓周方向均勻分布（在 YZ 平面上為 45 °、 135 °、225 °、315 °）。安裝邊載荷等效過程如圖2（b）所示。根據(jù)公式（7）～（12），外涵機(jī)匣載荷施加一共需要7個(gè)加載作動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz共6個(gè)載荷的施加。

根據(jù)上述思路，風(fēng)扇機(jī)匣、外涵機(jī)匣、壓氣機(jī)匣安裝邊均需要7個(gè)加載作動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz共6個(gè)載荷的施加。2#支點(diǎn)安裝邊需要2個(gè)軸向作動(dòng)筒和2個(gè)側(cè)向作動(dòng)筒來實(shí)現(xiàn)Fx、Fy、Fz載荷的施加。3#支點(diǎn)安裝邊需要1個(gè)軸向作動(dòng)筒和2個(gè)側(cè)向作動(dòng)筒來實(shí)現(xiàn)Fx、Fy、Fz載荷的施加。共計(jì)28個(gè)作動(dòng)筒加載，整體加載方案如圖3（b）所示。

圖3 載荷加載示意圖

無論中介機(jī)匣在風(fēng)扇機(jī)匣、外涵機(jī)匣、壓氣機(jī)匣、2#支點(diǎn)、3#支點(diǎn)這5個(gè)安裝邊上的載荷隨飛機(jī)飛行工況不同而組合變化，上述載荷施加方案均能滿足最終組合載荷的強(qiáng)度試驗(yàn)考核，無需改變作動(dòng)筒加載點(diǎn)位置和方向。

3 某發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣強(qiáng)度試驗(yàn)案例

3.1 試驗(yàn)載荷及分析

下面以某發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣強(qiáng)度試驗(yàn)任務(wù)書中的極限載荷為例，利用上章節(jié)中的強(qiáng)度試驗(yàn)加載方法，來實(shí)施強(qiáng)度試驗(yàn)。極限載荷JX1工況的試驗(yàn)載荷如表1所示。按照3.2章節(jié)內(nèi)容，將風(fēng)扇機(jī)匣、外涵機(jī)匣、壓氣機(jī)機(jī)匣、 2#支點(diǎn)、3#支點(diǎn)受到的28個(gè)載荷分解到對(duì)應(yīng)的28個(gè)作動(dòng)筒加載點(diǎn)的試驗(yàn)載荷，如表2所示。

表1 極限載荷JX1試驗(yàn)載荷

表2 極限載荷JX1分解到各加載點(diǎn)試驗(yàn)載荷

3.2 試驗(yàn)實(shí)施

強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，極限載荷施加分20 %、40 %、60 %、80 %、90 %、95 %、100 %七個(gè)加載和卸載級(jí)數(shù)來進(jìn)行，其中100 %級(jí)數(shù)保載不低于1 min，其他中間加載和卸載保載不低于30 s，保載時(shí)進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)和變形數(shù)據(jù)的采集。得到載荷加載曲線如圖4（a）所示。極限載荷工況下的應(yīng)變曲線如圖4（b）所示。

從圖中可以看出，該試驗(yàn)方法載荷控制穩(wěn)定，應(yīng)變測點(diǎn)的數(shù)據(jù)測量可靠有效，具有較好的穩(wěn)定型。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

從圖4（b）可以看出，極限載荷工況下的最大應(yīng)變2650.18，在承力支板與3支點(diǎn)的交接處，其余部位的應(yīng)變都不大。中介機(jī)匣使用的材料為鈦合金，該最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于鈦合金的使用極限，可見中介機(jī)匣的強(qiáng)度設(shè)計(jì)余量相對(duì)很安全。

圖4 典型工況下的強(qiáng)度試驗(yàn)曲線

4 結(jié)束語

中介機(jī)匣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要承力構(gòu)件，它處于風(fēng)扇和外涵道中間，聯(lián)系著航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)、外涵道，負(fù)擔(dān)分配內(nèi)、外涵道比的任務(wù)。在典型工況下，中介機(jī)匣各安裝邊受到氣動(dòng)載荷和機(jī)動(dòng)載荷引起的多軸載荷總數(shù)多達(dá)24個(gè)，受力十分復(fù)雜。而在不同飛行工況下，中介機(jī)匣上承受的氣動(dòng)載荷和機(jī)動(dòng)載荷是隨機(jī)變化的，其組合工況復(fù)雜多變。因此，研究中介機(jī)匣在最大載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的安全設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。

中介機(jī)匣在多軸載荷作用下構(gòu)件上承受的載荷工況組合太多，如果僅針對(duì)單一工況設(shè)計(jì)專用強(qiáng)度試驗(yàn)加載方案，會(huì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力且費(fèi)用較高。因此，本文分析了某發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣結(jié)構(gòu)承受多軸載荷的特點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了在多軸載荷狀態(tài)下一種通用的載荷施加方案，不改變作動(dòng)筒加載點(diǎn)位置和方向的前提下，能夠滿足不同機(jī)動(dòng)載荷和氣動(dòng)載荷組合形成的多軸載荷的強(qiáng)度試驗(yàn)要求。同時(shí)，以某發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣強(qiáng)度試驗(yàn)任務(wù)書中的極限載荷為例，進(jìn)行了試驗(yàn)載荷分析和試驗(yàn)實(shí)施，得到了極限載荷工況下的應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，最大應(yīng)變位置在承力支板與3支點(diǎn)的交接處，其余部位的應(yīng)變都不大，可見該中介機(jī)匣的強(qiáng)度設(shè)計(jì)余量相對(duì)很安全。