發(fā)動機吊架結構等效建模及靜力學分析

查夢江，王　巖（張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院，湖南　張家界　427000）

發(fā)動機吊架結構等效建模及靜力學分析

查夢江，王巖
（張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院，湖南張家界427000）

本文針對某型號飛機發(fā)動機吊架裝置結構進行研究，通過建立吊架結構的簡單力學模型并對其進行有限元分析，根據(jù)實際受力情況，獲得其在不同工況下的應力及變形情況，對其應力進行了分析，驗證其設計結果的合理性，從而提高經(jīng)濟性。

發(fā)動機吊架；靜力學分析；ANSYS

1　引言

近年來，隨著科技的不斷進步，民航飛機有著向大型化、高性能化發(fā)展的趨勢，飛機承受的載荷越來越復雜，因此，對飛機結構提出了更高的要求。發(fā)動機吊架是聯(lián)接飛機與發(fā)動機的關鍵裝置，它在承受發(fā)動機重量的同時，還需傳遞發(fā)動機的推力以及各種工況下的復雜載荷，其結構的形式、重量、強度是影響飛機性能的重要因素。所以，合理設計發(fā)動機吊架結構并對其進行各種工況下的靜力學分析顯得尤為重要。

2　發(fā)動機吊架結構的等效建模

發(fā)動機吊架結構一般用鋁合金、鈦合金或鋼制成，其結構按連接方式的不同可分為：盒式梁式結構、阻力支柱式結構及超靜定式結構［1］。本文采用盒式梁式結構，這種結構的前接頭和后接頭之間力臂較大，吊架各接頭所受載荷顯著降低，節(jié)約了翼盒的重量，并可使下壁板局部區(qū)域的疲勞問題得到明顯改善。

為了使建立的吊架結構能夠反應實際情況并保證計算精度，確保單元質(zhì)量，控制單元和節(jié)點數(shù)，減小計算量，所以有必要對模型進行適當?shù)暮喕?。在建立吊架簡單力學模型的過程中，應遵守以下原則［2］：

（1）吊架力學模型應與實際形狀幾何結構相同，并忽略某些次要部位，如螺栓連接等形成的螺紋以通孔代替；（2）忽略吊架內(nèi)部的電器部件，及相應的安裝孔。吊架內(nèi)部安裝的電器部件不是吊架的承力結構，且其重量對吊架影響可忽略不計。（3）模型所受載荷、邊界約束條件應與吊架真實結構所受載荷及邊界約束條件相一致。

根據(jù)上述簡化原則，并對發(fā)動機吊架結構進行了相關測量，建立了發(fā)動機吊架結構的簡單力學模型，如圖1所示。

圖1　吊架結構的簡單力學模型

3　發(fā)動機吊架結構的靜力學分析

3.1定義材料屬性和網(wǎng)格劃分

將建好的模型導入ANSYS軟件中的workbench，定義鋁合金作為吊架結構材料，其彈性模量為6.9GPa，泊松比為0.34，密度為2830。

劃分網(wǎng)格時，不僅需要選擇劃分網(wǎng)格的方法，還需要選擇劃分網(wǎng)格的形狀、類型，同時還要根據(jù)分析精度，設定不同的單元格密度。該模型采用的Element Sizing 是20mm。網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖2所示。

3.2確定約束條件

在各種工況下，吊架與機翼的連接接頭不受彎矩，所以，前接頭提供垂直約束，即在前接頭螺栓孔圓柱面施加垂直方向的面約束，后接頭提供垂直和側向約束，剪切銷柱孔提供航向和側向約束。

圖2　吊架網(wǎng)格劃分后有限元模型

3.3載荷的施加并求解

發(fā)動機吊架裝置主要承受發(fā)動機的推力和發(fā)動機慣性力，在不同的飛行狀態(tài)下，吊架承受載荷的種類和大小也不同。如果將發(fā)動機吊架所受慣性載荷轉換到吊架前、后安裝架上下表面中心，則得到表1和表2所示載荷（力單位為KN，力矩單位為）。

表1　前安裝架所受載荷

表2　后安裝架所受載荷

根據(jù)表1和表2中所受載荷施加于前、后安裝架。施加載荷后，設定應力和變形位移為求解參數(shù)，求解，得到應力應變云圖和位移變化圖，如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

3.4結果分析

（1）從圖3可知，在著陸工況下，發(fā)動機吊架變形主要在航向-垂向平面，整體變形很小。吊架整體盒段略有俯仰變形，導致發(fā)動機產(chǎn)生俯仰偏轉。最大變形處位于前安裝架前沿，最大位移為2.4564mm，小于最大允許位移10mm，安全可靠；（2）從圖4可知，在著陸工況下，吊架整體應力分布較均勻，前上梁和底梁部位應力較小，平均應力在50.74MPa左右，遠小于最大許用應力301.9MPa。最大應力出現(xiàn)在前、后接頭螺栓孔以及剪切銷柱孔部位，應力值為455.82MPa，但小于材料屈服極限785MPa，安全可靠；（3）從圖5可知，在側移工況下，發(fā)動機吊架整體變形不大，吊架結構有側向和滾轉變形，最大位移在前安裝架部位，總位移達到3.97mm，導致發(fā)動機產(chǎn)生側向偏轉，但影響不大，安全可靠；（4）從圖6可知，在側移工況下，吊架結構總體應力分布較均勻，前上梁、后上梁和底梁應力較小，平均應力值在58.41MPa左右，

圖3　著陸工況位移圖

圖4　著陸工況應力云圖

遠小于最大許用應力301.9MPa，前安裝架和底梁連接部位所受應力最大，為524.79MPa，但還是比材料屈服極限785MPa小很多，安全可靠。

3.5總結

從上述分析結果可知，在著陸和側移兩種工況下，發(fā)動機吊架結構沒有產(chǎn)生嚴重的塑性變形，有足夠的強度承受載荷，從而驗證了吊架結構設計的合理性，提高了經(jīng)濟性。

［1］劉亞奇，胡錦旋，劉星北等.翼下發(fā)動機吊架及其與機翼連接結構研究［J］.民用飛機設計與研究，2009（增刊）：74-76.

圖5　側移工況位移圖

圖6　側移工況應力云圖

［2］Sylvain Finette.Parametric finite element model of AIRBUS engine pylon with MSC.Patran.3rd MSC.Software Worldwide Aerospace Conference and Technology Showcase，Paper—2001—104.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.002

查夢江（1991-），男，江西九江人，本科，助教，研究方向：飛機、發(fā)動機方向。