某型航空發(fā)動機中介機匣分流環(huán)插接安裝的脫開失效載荷分析

劉長春，廖連芳，邵丕仁，安中彥

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

某型航空發(fā)動機中介機匣分流環(huán)插接安裝的脫開失效載荷分析

劉長春，廖連芳，邵丕仁，安中彥

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

采用有限元分析軟件Ansys對某型航空發(fā)動機中介機匣分流環(huán)插接安裝的脫開失效載荷進行了分析，對其中涉及的有限元計算中的非線性問題進行了簡化，將狀態(tài)非線性轉(zhuǎn)化為位移邊界條件，只考慮材料非線性，提高了計算效率。經(jīng)試驗驗證表明：這種簡化計算方法合理可行，能夠為該結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供有意義的參考。

有限元；材料非線性；狀態(tài)非線性；邊界條件；失效載荷；中介機匣；分流環(huán)；航空發(fā)動機

0 引言

某型航空發(fā)動機中介機匣采用鈦合金整體鑄造結(jié)構(gòu)，而其上安裝的分流環(huán)由6塊扇形塊組成，分布于中介機匣的6塊支板之間，與各支板上的支臂共同形成發(fā)動機內(nèi)、外涵分界面，將來自風(fēng)扇的氣流分成內(nèi)涵和外涵2股。每塊分流環(huán)扇形塊后安裝邊與中介機匣固定環(huán)及高壓壓氣機前機匣前安裝邊之間通過螺栓連成一體；而分流環(huán)兩側(cè)與相鄰支板支臂涂膠搭接,這種分流環(huán)與中介機匣支板支臂插接的安裝方式必然存在在大載荷作用下脫開的情況，因此需要對分流環(huán)從中介機匣支板支臂上脫開的載荷進行計算分析。

采用有限元程序?qū)χ薪闄C匣分流環(huán)的脫開載荷進行計算分析時，必然涉及狀態(tài)非線性和材料非線性問題，這就造成在計算過程中產(chǎn)生收斂速度較慢甚至不收斂的問題，無法滿足工程設(shè)計高速、高效、高精度的要求。

本文根據(jù)分流環(huán)與中介機匣的安裝方式，將狀態(tài)非線性轉(zhuǎn)化為邊界條件，只考慮材料非線性，大大簡化了計算過程，節(jié)省了計算時間，提高了計算效率。

1 模型簡化

分流環(huán)結(jié)構(gòu)及分流環(huán)在中介機匣上的安裝方式如圖1所示。分流環(huán)后安裝邊、中介機匣安裝邊和高壓壓氣機前機匣前安裝邊通過螺栓連接在一起，因此分析分流環(huán)的脫開載荷時，應(yīng)該考慮分流環(huán)、中介機匣和高壓壓氣機前機匣3個部件。同時考慮到計算上的可實施性、計算效率以及計算結(jié)果的有效性，采取以下方式進行計算分析：

（1）中介機匣以及高壓壓氣機前機匣整個結(jié)構(gòu)是近似對稱的，因此選取整個組件結(jié)構(gòu)的1/6作為計算模型；

（2）由于分流環(huán)和高壓壓氣機前機匣都為薄壁結(jié)構(gòu)，因此可采用有限單元法中的殼單元進行計算分析；

（3）分流環(huán)從中介機匣支板支臂上脫開會有大變形以及殘余變形，因此采用材料彈塑性計算方法計算；

（4）分流環(huán)從中介機匣支板支臂上脫開為狀態(tài)非線性中的接觸問題，為了提高計算效率，將脫開過程看成分流環(huán)的搭接邊在徑向方向沒有變形，而在周向和軸向方向有變形，且周向變形大于分流環(huán)的搭接量時，分流環(huán)從中介機匣支板支臂上脫開。這樣就將狀態(tài)非線性接觸問題轉(zhuǎn)化為位移邊界條件，只考慮材料非線性問題，大大節(jié)約了計算時

間，提高了計算效率。

采用上述方式得到

的有限元計算模型如圖2所示。

中介機匣分流環(huán)承受的最主要載荷為氣動載荷，即分流環(huán)的內(nèi)、外表面承受來自風(fēng)扇的氣流壓力。在這里僅考慮內(nèi)、外表面的氣壓差，因此分析模型的載荷只需要在分流環(huán)內(nèi)表面施加壓力差。

2 計算結(jié)果及試驗驗證

2.1 計算結(jié)果

脫開主要表現(xiàn)為模型中分流環(huán)側(cè)邊的周向變形大于設(shè)計的分流環(huán)搭接量，即分流環(huán)側(cè)邊的周向變形大于搭接量時，分流環(huán)就會從中介機匣支板支臂上脫開。分流環(huán)的脫開載荷計算結(jié)果見表1，不同搭接量時的脫開載荷如圖3所示。搭接量分別為5.9、7.6和10.5m m時的脫開載荷分別為0.39、0.42和0.45M P a。

表1 分流環(huán)的脫開載荷計算結(jié)果

由計算結(jié)果可知，隨著搭接量的增大，脫開載荷也增大，但是脫開載荷同搭接量成非線性關(guān)系，即隨著搭接量的線性增大，脫開載荷的增量逐漸減少。也就是說，分流環(huán)的變形隨著載荷的增大，開始時按線性規(guī)律增大，但后來是按非線性規(guī)律大幅增大，最后分流環(huán)大面積進入塑性，此時再增大搭接量已不能明顯提高承載能力。由此可以推得這種結(jié)構(gòu)的分流環(huán)的最大承載能力為0.50M P a。

2.2 試驗驗證

分流環(huán)脫開載荷的試驗驗證裝置如圖4所示。分流環(huán)插入中介機匣支板支臂后，其后安裝邊通過中介機匣后法蘭邊固定在高壓壓氣機前機匣前安裝邊上，高壓壓氣機前機匣后端面固定在基礎(chǔ)平臺上。用上、下2塊密封板與分流環(huán)兩側(cè)支板和中介機匣內(nèi)環(huán)組成密閉腔，腔內(nèi)放置氣囊，由壓縮機供給壓力。

采用這種試驗裝置對6個分流環(huán)進行了靜壓試驗。試驗結(jié)果為：搭接量為6～10m m時，脫開載荷為0.380～0.46 7M P a。在不同壓差載荷作用下的分流環(huán)外涵中部的徑向位移，的試驗結(jié)果與計算結(jié)果對比如圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)二者擬合較好。這說明計算模型簡化合理可行，能夠模擬實際情況。

3 結(jié)束語

利用有限元計算程序計算非線性問題一直以來都是工程計算的難點，特別是涉及多個非線性問題時，采用有限元計算耗時很長，有時甚至無法收斂。對于工程問題，大多要求在非常短的時間給出有效解，因此對于多個非線性問題就有必要進行適當(dāng)簡化，以節(jié)約計算時間，提高計算效率。本文采用Ansys計算程序分析了某型航空發(fā)動機中介機匣分流環(huán)的失效載荷，在計算過程中將接觸問題轉(zhuǎn)化為位移邊界條件，避免了接觸問題的解不收斂，同時大大節(jié)約了計算時間，提高了計算效率。經(jīng)過試驗驗證可知，這種簡化方法完全可行，可以用此計算方法和計算模型優(yōu)化分流環(huán)各部件參數(shù)，為該結(jié)構(gòu)的設(shè)計改進提供及時有效的建議。

[1]張朝暉.ANSYS11.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實例解析 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2008：26 3-498.

[2]謝貽權(quán)，何福保.彈性和塑性力學(xué)中的有限單元法[M].北京：機械工業(yè)出版社，1988：177-220.

[3]萬江艷.輪盤模擬件破裂試驗及其有限元描述 [J].航空發(fā)動機,2008,34（2）：19-21.

Invalidation Load Analysis of Splicing Detachment for an Aeroengine Intermediate Case Splitter

LIU Chang-chun,LIAO Lian-fang,SHAO Pi-ren,AN Zhong-yan
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institue,Shenyang 110015,China）

The invalidation load of splicing detachmentwas analyzed by Ansys program for an aeroengine intermediate case splitter.The correlative nonlinear matter was simplified.The state nonlinearity was translated to the displacement boundary conditions，at the same time the material nonlinearity was exclusively considered.In this way the computation efficiency was improved.The test results show that the simplified method is feasible,and can provide significant reference for the structure design.

finite element;material nonlinearity;state nonlinearity;boundary condition;invalidation load;intermediate case;splitter;aeroengine

劉長春（1976），女，高級工程師，從事航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計工作。