某型飛機(jī)短艙發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)設(shè)計(jì)的研究

劉龍園，熊立東，鄧新華，付細(xì)能，張向前

(航空工業(yè)洪都，江西南昌330024)

0 引言

某型飛機(jī)采用懸臂式下單翼，橢圓截面機(jī)身，正常氣動(dòng)布局，前三點(diǎn)可收放起落架，尾撐兩臺(tái)采用全權(quán)限數(shù)字控制的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)滿足飛機(jī)在整個(gè)飛行包線內(nèi)的動(dòng)力需求，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電和液壓泵供壓，為飛機(jī)環(huán)控和燃油系統(tǒng)提供壓縮空氣[1]，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙氣動(dòng)外形布局如圖1所示。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)功能及設(shè)計(jì)要求

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)功能

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)設(shè)計(jì)要求

發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)設(shè)計(jì)需要注意以下幾點(diǎn)：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免由于發(fā)動(dòng)機(jī)安裝設(shè)計(jì)不當(dāng)而造成發(fā)動(dòng)機(jī)超過(guò)振動(dòng)指標(biāo)及其他故障現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)喘振、熄火、停車等事故，也不應(yīng)引起飛機(jī)其他系統(tǒng)和部件的失效、損壞或影響它們的工作性能。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝節(jié)有足夠的強(qiáng)度，能夠保證飛機(jī)在各種大氣條件和各種狀態(tài)下飛行，以及承受發(fā)動(dòng)機(jī)在各種狀態(tài)下工作時(shí)所產(chǎn)生的各種載荷，同時(shí)還要有合適的剛性，能夠補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)在各種狀態(tài)工作時(shí)所產(chǎn)生的熱變形和機(jī)械變形，隔離或吸收、減小發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)、傳遞給飛機(jī)的振動(dòng)或來(lái)自飛機(jī)的反向振動(dòng)傳遞，特別要防止與飛機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振而引起發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)結(jié)構(gòu)的破壞[2]。

3）發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)需合理，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，還需保證發(fā)動(dòng)機(jī)裝拆方便，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝時(shí)間，從而滿足飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝時(shí)間要求。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝對(duì)比

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置和安裝形式對(duì)比分析

由于飛機(jī)總體布局不同，發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上的安裝的位置各異，安裝形式也是多種多樣，即使同一型飛機(jī)安裝不同的發(fā)動(dòng)機(jī)或者同一型發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在不同的飛機(jī)上，其安裝形式也可能有差別，甚至迥然不同，如表1和表2所示。

表1 安裝位置

表2 安裝形式

根據(jù)某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的氣動(dòng)外形和左右各安裝1臺(tái)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)要求，經(jīng)過(guò)表1和表2對(duì)各種安裝位置、安裝形式和適用機(jī)型特點(diǎn)的對(duì)比分析得出，采用尾吊式布局適用于某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝。

同時(shí)，該型飛機(jī)采用尾吊式布局有機(jī)翼外形干凈；流過(guò)機(jī)翼的氣流免受干擾；并且可以全翼展范圍內(nèi)布置襟翼、縫翼；可以改善飛機(jī)的縱向和橫向穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 各型飛機(jī)尾吊式發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)比

2.2.1 波音717飛機(jī)BR715發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)分析

夜幕降臨，數(shù)千只蚊蟲(chóng)在帳篷外嗡嗡作響，試圖闖進(jìn)，聲音如小雨般淅淅瀝瀝。但我還要吃晚飯，于是，我只好拉上風(fēng)衣的拉鏈，迎頭沖上去，點(diǎn)上火爐，小步慢跑，直至水沸騰后，再將水倒在脫水食品上，然后回到帳篷。

發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)包括錐形螺栓、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)和減振器，可以固定發(fā)動(dòng)機(jī)，減小機(jī)身振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)可位移以保護(hù)結(jié)構(gòu)不損壞，如圖2所示。

2.2.2 ARJ21飛機(jī)CF34發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)由前安裝節(jié)、后安裝節(jié)和推力桿組成，如圖3所示。ARJ21發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)采用了損傷容限和失效安全設(shè)計(jì)思想。

前安裝節(jié)由支架；上、下連桿；上、下支座；失效連桿和失效支座組成。前安裝支架與飛機(jī)掛架結(jié)構(gòu)連接，安裝支架上、中、下安裝點(diǎn)都設(shè)計(jì)有接耳，分別通過(guò)上連桿、失效連桿和下連桿與上支座、失效支座及下支座連接，其中上連桿和失效連桿為兩頭鉸接的二力桿，下連桿為固支桿。失效連桿與前安裝支架中間安裝點(diǎn)連接螺栓之間有3mm的間隙，安裝系統(tǒng)正常工作情況下，失效連桿不起作用，當(dāng)前安裝連桿或支座失效后，失效連桿可以傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)載荷。前安裝節(jié)傳遞推力、豎直、側(cè)向載荷以及扭矩。

推力桿安裝支架與發(fā)動(dòng)機(jī)前安裝面上的推力連接點(diǎn)連接，并通過(guò)推力桿與后安裝節(jié)安裝支架上的推力桿連接點(diǎn)連接。推力桿將發(fā)動(dòng)機(jī)推力傳遞給飛機(jī)掛架結(jié)構(gòu)。

后安裝節(jié)由支架；上、下連桿，上、下支座；失效連桿和失效支座組成（失效連桿和失效支座圖中未示出）。后安裝支架與飛機(jī)掛架結(jié)構(gòu)連接，安裝支架上、中、下安裝點(diǎn)都設(shè)計(jì)有接耳，分別通過(guò)上連桿、失效連桿和下連桿與上支座、失效支座及下支座連接。失效連桿與后安裝支架中間安裝點(diǎn)連接螺栓之間有3mm的間隙，安裝系統(tǒng)正常工作情況下，失效連桿不起作用，當(dāng)前安裝連桿或支座失效后，失效連桿可以傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)載荷。與前安裝節(jié)不同的是，后安裝節(jié)的連桿全部都是兩頭鉸接的二力桿，后安裝節(jié)只傳遞豎直和側(cè)向載荷[3]。

2.2.3 塞斯納550XL飛機(jī)PW545發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)由前安裝節(jié)和后安裝節(jié)組成。

前安裝節(jié)是一個(gè)縱梁結(jié)構(gòu)，如圖4（a）所示，固定在飛機(jī)掛架的結(jié)構(gòu)上，縱梁上下都有叉耳，用于連接減振器，減振器另一端與發(fā)動(dòng)機(jī)前安裝面上的上下安裝點(diǎn)對(duì)接。前安裝節(jié)可傳遞前后、豎直、側(cè)向載荷以及X向扭矩。

后安裝節(jié)通過(guò)減振器固定在飛機(jī)掛架的結(jié)構(gòu)上，使用兩根拉桿與發(fā)動(dòng)機(jī)后安裝法蘭盤上的上下兩個(gè)安裝孔連接，如圖4（b）所示。后安裝節(jié)可以傳遞豎直和側(cè)向載荷。

3 某型飛機(jī)短艙發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)比分析上述尾吊發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)結(jié)構(gòu)形式，某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)形式采用前后兩個(gè)安裝面，前安裝面?zhèn)鬟f發(fā)動(dòng)機(jī)X，Y，Z向的載荷及三個(gè)方向的扭矩，后安裝面?zhèn)鬟fY，Z向的載荷，并能補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)熱膨脹，同時(shí)灌輸安裝系統(tǒng)全壽命設(shè)計(jì)思想，具體結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

主安裝節(jié)結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)螺栓固定在搖臂上，搖臂通過(guò)螺栓固定在主支座上，主支座再通過(guò)4個(gè)螺栓固定在穿過(guò)機(jī)身的橫梁上，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)主支座上的2個(gè)推力銷將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力傳遞給飛機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)主安裝節(jié)傳遞推力的同時(shí)，限制了發(fā)動(dòng)機(jī)6個(gè)方向的自由度。主安裝節(jié)通過(guò)三點(diǎn)同發(fā)動(dòng)機(jī)相連，其中兩處為上下?lián)u臂處的螺栓，另一處為發(fā)動(dòng)機(jī)的銷子與主安裝支座，如圖6（a）所示。輔助安裝節(jié)結(jié)構(gòu)如圖5（b）所示，由輔助支座和2個(gè)搖臂組成。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)螺栓固定在搖臂上，搖臂再通過(guò)球軸承固定于輔助支座，輔助支座通過(guò)4個(gè)螺栓與穿過(guò)機(jī)身的橫梁相連，通過(guò)2個(gè)推力銷傳遞推力。輔助安裝節(jié)限制發(fā)動(dòng)機(jī)的Y和Z軸2個(gè)方向移動(dòng)自由度，允許X方向移動(dòng)和3個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)用于補(bǔ)償熱變形和力變形產(chǎn)生的位移，通過(guò)2個(gè)限位銷來(lái)確保安裝的位置。輔助安裝節(jié)通過(guò)搖臂上的螺栓同發(fā)動(dòng)機(jī)相連，如圖 6（b）所示。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)載荷計(jì)算

Ansys是一種融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)于一體的大型CAE通用有限元分析軟件，可廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、汽車交通、電子等一般工業(yè)及科學(xué)研究領(lǐng)域[4]。

4.1 幾何模型和邊界條件

本計(jì)算主要校核主輔安裝支座的強(qiáng)度是否符合要求，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和搖臂的強(qiáng)度不進(jìn)行校核，簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)和搖臂的幾何外形，用剛體梁來(lái)替代，如圖7所示。主點(diǎn)為主安裝平面與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線的交點(diǎn)，輔點(diǎn)為輔助安裝平面與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線的交點(diǎn)。載荷加載在發(fā)動(dòng)機(jī)重心處，通過(guò)圖中的梁傳遞給主輔安裝支座，其中主支座有A、B和E三點(diǎn)傳遞3個(gè)方向的力和力矩，輔助支座C和D兩點(diǎn)只傳遞Y和Z方向的力。

計(jì)算工況選取了一個(gè)A+T情況，此時(shí)載荷最為嚴(yán)酷。

式中：f為安全系數(shù)；Py、PxT為y方向和x方向的力；My為y方向的力矩；ny為過(guò)載系數(shù)；Gy為為重力；I1、I2為低壓和高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω1、ω2為低壓和高壓轉(zhuǎn)子角速度；ωz為飛機(jī)z方向的角速度。

4.2 網(wǎng)格

對(duì)主輔安裝支座進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖8所示，由于主輔安裝支座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用了簡(jiǎn)單的四面體網(wǎng)格。

4.3 計(jì)算結(jié)果

將主輔安裝支座的應(yīng)力云圖列于圖9中，從圖9（a）主安裝支座的應(yīng)力云圖可知，主支座上最大應(yīng)力為1.65×108Pa，從圖 9（b）圖可知，輔助支座上最大應(yīng)力為3.42×108Pa，遠(yuǎn)小于所選用材料30CrMnSi的抗拉強(qiáng)度=（5-8）×108Pa。同時(shí)在主輔安裝支座的應(yīng)力圖中存在應(yīng)力較小的區(qū)域，這些區(qū)域可以進(jìn)一步考慮減重，優(yōu)化安裝結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)比分析了多種飛機(jī)尾吊式安裝形式，最終選用了Y型叉臂接頭形式，并設(shè)計(jì)了主輔安裝節(jié)結(jié)構(gòu)，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)主輔安裝結(jié)構(gòu)的有限元模型和網(wǎng)格劃分；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主輔安裝支座進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，主輔支座上應(yīng)力低于所選材料的抗拉強(qiáng)度，該安裝節(jié)結(jié)構(gòu)形式能滿足某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝使用要求，同時(shí)，在局部出現(xiàn)應(yīng)力較小的區(qū)域，可以進(jìn)一步考慮減重并優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

[1]飛行設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)·第13分冊(cè).

[2]龔署光.ANSYS軟件在應(yīng)力分析設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，2001,7.

[3]軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范.總裝備軍標(biāo)出版發(fā)行部.2008,12.