結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)裝置在大涵道渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片飛失中的應(yīng)用

徐 雪，李宏新，馮國全

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，其安全性關(guān)系到整個(gè)飛機(jī)的安全。目前，無論軍機(jī)還是民機(jī)都十分重視安全性，都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性提出了很嚴(yán)酷的要求[1]。對(duì)于大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)而言，在風(fēng)扇葉片飛失（Fan Blade Out，F(xiàn)BO）條件下的安全性設(shè)計(jì)是1項(xiàng)十分關(guān)鍵的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)項(xiàng)目。對(duì)此，在中國、美國和歐洲的適航性體系中均給出了明確而嚴(yán)格的要求[2-4]。為了確保這種極端情況下的結(jié)構(gòu)安全性，各大航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商均采用了結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)與電器系統(tǒng)中的保險(xiǎn)絲原理一樣，其基本思想：當(dāng)載荷達(dá)到或超過精心設(shè)計(jì)的臨界值時(shí)，實(shí)現(xiàn)有目的的破壞，從而保護(hù)系統(tǒng)不出現(xiàn)更大危害的情況。這種設(shè)計(jì)也是其他工業(yè)領(lǐng)域中針對(duì)極端載荷情況所經(jīng)常采用的設(shè)計(jì)手段，例如：汽車的被動(dòng)安全性（碰撞）設(shè)計(jì)和建筑結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計(jì)[5]。

在國外先進(jìn)民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，除了FBO條件之外，還在研究許多關(guān)系到整機(jī)安全性的方面實(shí)際應(yīng)用結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)裝置，一方面保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性，另一方面保證了研制項(xiàng)目順利、高效地完成并且研制成本可控。

本文通過對(duì)結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)原理、FBO下的物理過程和大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇部位具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)3個(gè)維度的研究，理清三者之間的邏輯關(guān)系，為后續(xù)的相關(guān)研究提供1種比較清晰的思路和研究方向，并且給出初步的基本結(jié)構(gòu)方案。

1 國內(nèi)外研究情況綜述

1.1 試驗(yàn)研究的情況

在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入大涵道比時(shí)代后，由于單級(jí)大風(fēng)扇的葉片質(zhì)量遠(yuǎn)高于其他轉(zhuǎn)子葉片，而且其直接暴露在進(jìn)口氣流之中，經(jīng)常受到外物打傷的影響，因此風(fēng)扇葉片損傷/飛失事件成為了整機(jī)安全性方面的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一。在20世紀(jì)80～90年代，各大公司對(duì)于FBO事件研究的主要手段是通過縮比/全尺寸風(fēng)扇試驗(yàn)件（如圖1所示）和整機(jī)FBO（包容性）試驗(yàn)（如圖2所示）來驗(yàn)證包容機(jī)匣和結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)等設(shè)計(jì)，至今整機(jī)FBO試驗(yàn)仍然是每款全新設(shè)計(jì)的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航取證必須通過的1個(gè)試驗(yàn)。但是由于該試驗(yàn)破壞威力巨大需要特殊的試驗(yàn)設(shè)施，試驗(yàn)過程為高速瞬態(tài)過程需要高速測(cè)試分析技術(shù)，而且還需要犧牲一整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，因此試驗(yàn)的成本、難度和風(fēng)險(xiǎn)都很高。也正因如此，這種試驗(yàn)?zāi)芰χ挥袠O少數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)公司或研究機(jī)構(gòu)才具備，其試驗(yàn)結(jié)果自然成為了商業(yè)機(jī)密不會(huì)輕易透露，這也是以往的研究大多數(shù)都集中在幾大發(fā)動(dòng)機(jī)巨頭的原因。

圖1 GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇部件FBO縮比試驗(yàn)件

圖2 Trent 900發(fā)動(dòng)機(jī)的適航取證FBO試驗(yàn)

1.2 仿真分析的進(jìn)展

進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和適航的條款的進(jìn)一步嚴(yán)格要求，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)FBO事件的仿真研究工作方興未艾，并且已經(jīng)取得了實(shí)際應(yīng)用，例如：對(duì)于FBO事件之后的持續(xù)旋轉(zhuǎn)適航要求，通常就可以通過計(jì)算分析來證明[6]，這樣既節(jié)約了研制成本又降低了研制風(fēng)險(xiǎn)。

在國外的發(fā)動(dòng)機(jī)公司和大學(xué)中，對(duì)于結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)在FBO事件中的作用，以及對(duì)于結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)作用前后轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)行為已經(jīng)開展了廣泛而深入的研究。GE公司的S.K.Sinha于2002年和2012年分別發(fā)表了2篇文章，不僅從理論的角度給出了FBO事件后，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在葉尖嚴(yán)重碰摩情況下的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)行為和風(fēng)車狀態(tài)下的不平衡轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性的仿真分析方法，還給出了典型算例的仿真分析結(jié)果以及與整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比[6]；RR公司的Robin JWilliams于2011年也開展了FBO事件后風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在葉尖嚴(yán)重碰摩情況下的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)行為的計(jì)算方法研究，并且提出了能夠提升計(jì)算速度的1維梁單元和3維實(shí)體的混合建模分析方法[7]；斯奈克瑪公司的Nicolas Cosme和David Chevrolet等于2002年開展了利用實(shí)體簡化模型（如圖3所示）進(jìn)行FBO過程與結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)失效效果的仿真分析，并與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比[8]。

在國內(nèi)對(duì)于該領(lǐng)域的研究工作起步較晚，但是正在快速進(jìn)步。例如：西北工業(yè)大學(xué)的廖明夫教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，針對(duì)FBO事件下的結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)設(shè)計(jì)開展了原理試驗(yàn)研究。

1.3 仿真分析的難點(diǎn)

在上述的仿真分析工作涉及到許多高度非線性的分析過程，例如：大變形瞬態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)過程、接觸（易磨耗涂層剝落）、碰撞沖擊（葉尖與機(jī)匣碰摩）和斷裂（結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)失效）等，而且涉及到的零部件很多、形狀復(fù)雜，因此仿真分析的困難主要有以下3個(gè)方面：

圖3 Nicolas Cosme和David Chevrolet所使用的實(shí)體簡化模型[8]

（1）模型的簡化方法：如何做到既盡可能的降低計(jì)算需求，又能夠模擬真實(shí)的物理過程是1個(gè)困難，這方面需要有許多試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持，而這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得本身就是1件難度很大而且需要長時(shí)間積累的事情；

（2）分析工具軟件：如前所述由于涉及到許多分析過程很難通過單一的軟件平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，常常需要結(jié)合不同軟件工具的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，甚至需要采用自行開發(fā)的專用軟件工具；

（3）計(jì)算資源：盡管現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力在快速發(fā)展，尤其是并行計(jì)算能力在有限元分析領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)步，但是對(duì)于FBO事件的高度非線性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物理過程的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算資源仍然是1個(gè)制約因素。

從上面的分析可知，采用經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證的分析方法，對(duì)某型全新發(fā)動(dòng)機(jī)的FBO事件進(jìn)行高保真度的仿真分析，是1件技術(shù)門檻很高的研究工作，也是高安全性航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的重要技術(shù)壁壘之一。

2 結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)設(shè)計(jì)理論簡介

設(shè)計(jì)是1項(xiàng)創(chuàng)造性過程，在新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成時(shí)就形成了1條條由每個(gè)零部件可能發(fā)生的故障模式構(gòu)成的復(fù)雜的因果網(wǎng)絡(luò)，即許多的“破損鏈”，每條破損鏈最終都連接到1種整機(jī)故障模式。經(jīng)過研發(fā)過程中的仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證工作，上述“破損鏈”會(huì)逐漸暴露出來并通過修改設(shè)計(jì)加以排除。但是不可否認(rèn)的是，由于某些原因，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品投入使用之后仍然不能100%地確定該設(shè)計(jì)在規(guī)定的壽命和載荷下一定不出問題，即還存在著尚未被暴露出來的“隱性破損鏈”。這其中的原因至少包括以下因素：

（1）試驗(yàn)環(huán)境與真實(shí)環(huán)境存在偏差。試驗(yàn)環(huán)境是對(duì)真實(shí)環(huán)境在工程上的近似模擬，但還會(huì)存在偏差，例如：在研制階段，發(fā)動(dòng)機(jī)服役后的真實(shí)工作載荷譜難以準(zhǔn)確獲得并模擬；

（2）試驗(yàn)狀態(tài)和真實(shí)工作狀態(tài)存在偏差，真正的極限工況難以預(yù)見；

（3）在生產(chǎn)制造過程中可能會(huì)帶來預(yù)見不到的偏差，而且零件數(shù)越多可能性越大；

（4）受人的因素影響，生產(chǎn)者、使用者、維護(hù)者和乘坐者等都有可能出現(xiàn)設(shè)計(jì)意料不到的行為；

（5）項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和時(shí)效性考慮，試驗(yàn)的時(shí)間和成本有限。

如果隱性故障鏈在設(shè)計(jì)過程中暴露的不充分，而在使用過程中頻繁暴露出來，勢(shì)必會(huì)帶來研制工作的反復(fù)，甚至還可能引起大規(guī)模的產(chǎn)品召回，這都是研發(fā)單位所不愿看到也很難承受的顛覆性的影響。因此，如何能夠保證在有限時(shí)間、有限經(jīng)費(fèi)的約束下盡可能地減少隱性破損鏈，成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠和使用成熟的關(guān)鍵，尤其是對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)這樣設(shè)計(jì)復(fù)雜、條件苛刻、投資巨大和研發(fā)周期長的產(chǎn)品。

為了盡可能地降低隱性破損鏈的影響，一種方法是在設(shè)計(jì)過程中留有一定裕度，另一種方法就是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有意地設(shè)計(jì)出若干保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)。

第1種方法是航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常規(guī)做法，也能夠行之有效地降低隱性破損鏈的影響，保證設(shè)計(jì)安全，而且在長期的實(shí)踐中也總結(jié)出了相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，來具體指導(dǎo)裕度設(shè)計(jì)。但是隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品性能的不斷提升、離心負(fù)荷和溫度負(fù)荷的不斷增大、各種功能的不斷豐富以及質(zhì)量限制約束的不斷加強(qiáng)，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的要求越來越苛刻，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可用裕度越來越小。尤其值得注意的是隨著拓?fù)鋬?yōu)化和強(qiáng)度分析的方法越來越多的應(yīng)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提升了結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)某一特定載荷的結(jié)構(gòu)效率，降低了質(zhì)量，但是卻使結(jié)構(gòu)在不可預(yù)見的非設(shè)計(jì)載荷情況下的裕度更小。

第2種方法是由被動(dòng)地發(fā)現(xiàn)隱性破損鏈變?yōu)橹鲃?dòng)地屏蔽掉隱性破損鏈。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)傳力結(jié)構(gòu)和可能的故障模式，有意識(shí)地選擇特定的部位或者特定的部件，預(yù)先設(shè)計(jì)為整條傳力路線上的最薄弱的一環(huán)，并且設(shè)計(jì)相應(yīng)的輔助結(jié)構(gòu)，讓結(jié)構(gòu)的破損過程按照設(shè)計(jì)好的方式發(fā)展，最后實(shí)現(xiàn)1種可以接受的失效模式。從而保證在有限時(shí)間和有限成本的情況下，研發(fā)出滿足適航要求的成熟可靠的高性能產(chǎn)品。結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)設(shè)計(jì)特別適用于解決大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)FBO和安裝節(jié)失效等事關(guān)產(chǎn)品安全性的、適航條款中嚴(yán)格要求的、在實(shí)際驗(yàn)證過程中需要巨大成本的設(shè)計(jì)難題。

2.2 結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素

結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素包括：（1）結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)布置位置的設(shè)計(jì)；（2）觸發(fā)門檻值的設(shè)計(jì)。

保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)布置位置需要根據(jù)不同發(fā)動(dòng)機(jī)的不同結(jié)構(gòu)和載荷特點(diǎn)因地制宜地選擇。既要能夠?qū)崿F(xiàn)觸發(fā)后切斷載荷傳遞路線的要求，又要使由此引發(fā)的預(yù)先設(shè)計(jì)好的故障模式單一、影響范圍小、造成的損失小。同時(shí)，所選的實(shí)現(xiàn)熔斷功能的部件（犧牲單元）則需要具有良好的生產(chǎn)一致性，以保證生產(chǎn)出的每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)觸發(fā)門檻值的一致性。

觸發(fā)門檻值的設(shè)計(jì)是1項(xiàng)微妙的平衡，需要精細(xì)的計(jì)算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

一方面，既不能把門限值設(shè)計(jì)得太高，導(dǎo)致在發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)較嚴(yán)重故障的時(shí)候不能夠觸發(fā)熔斷功能，失去保護(hù)作用[9]，在實(shí)際的故障案例中，確實(shí)出現(xiàn)過沒有結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)或者設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)但是未能完全觸發(fā)失效，所產(chǎn)生的巨大載荷向后傳遞引起發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件在大振動(dòng)下油管斷裂，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)起火（危險(xiǎn)性事件）的真實(shí)案例[9]。

中國電信、中國聯(lián)通、中國移動(dòng)等運(yùn)營商的國際出口，基本設(shè)置在北京、上海、廣州，其他城市均沒有設(shè)置國際出口，采集如下圖：

另一方面，也不能夠把門檻值設(shè)計(jì)的太低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在較為輕微故障模式下頻繁地“誤觸發(fā)”熔斷，造成發(fā)動(dòng)機(jī)的損傷和增加不必要的成本。

在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)的布置位置和門檻值設(shè)計(jì)是1個(gè)復(fù)雜的問題，需要系統(tǒng)地考慮在多個(gè)結(jié)構(gòu)上采用保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者采用多個(gè)層次的結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)才能最終實(shí)現(xiàn)1個(gè)保護(hù)功能的需要。

3 FBO事件中的結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)的應(yīng)用

3.1 適航要求

適航性對(duì)于FBO的要求包括：包容和轉(zhuǎn)子不平衡試驗(yàn)及持續(xù)風(fēng)車運(yùn)轉(zhuǎn)2項(xiàng)要求。

中國、美國和歐洲的葉片包容性和轉(zhuǎn)子不平衡試驗(yàn)的適航要求規(guī)定：“FBO事件后15 s內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)不能出現(xiàn)高能碎片不包容、著火、安裝節(jié)脫開等危險(xiǎn)性事件[2]”。

美國和歐洲的適航條款中還提出了持續(xù)風(fēng)車運(yùn)轉(zhuǎn)的要求（適航通報(bào)）：“FBO事件之后3 h內(nèi)低壓轉(zhuǎn)子能夠繼續(xù)處于風(fēng)車狀態(tài)做低速旋轉(zhuǎn)，在維持持續(xù)風(fēng)車旋轉(zhuǎn)期間，基本的持續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)故障情況或事件不會(huì)引起危險(xiǎn)的事件[3,10]”。

3.2 物理過程分析

典型的雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)和載荷傳遞路線[11]如圖4所示。

圖4 大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和FBO事件中的載荷傳遞路線（粗虛線）

FBO事件的物理過程大致可以分成以下階段：

（1）T0時(shí)刻風(fēng)扇葉片的飛失（適航條款規(guī)定失效必須出現(xiàn)在最大轉(zhuǎn)速和盤上最外部的固定榫槽處），脫落的葉片造成隨后的葉片部分脫落（共飛失約1.5片風(fēng)扇葉片的質(zhì)量）[12]，在風(fēng)扇盤處產(chǎn)生了巨大的離心載荷；

（3）巨大的載荷通過“風(fēng)扇盤后軸頸”、“風(fēng)扇后短軸”、“1 支點(diǎn)滾棒軸承”、“1 支點(diǎn)承力錐壁”和“2 支點(diǎn)滾珠軸承”傳遞給“中介機(jī)匣”，再通過“中介機(jī)匣”上的安裝節(jié)傳遞給機(jī)翼吊架（飛機(jī)的承力結(jié)構(gòu)）；

（4）FBO事件中結(jié)構(gòu)處的載荷計(jì)算并和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5所示。當(dāng)結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)承受的載荷達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)被觸發(fā),發(fā)生保險(xiǎn)破壞失效（Fuse Failure）[8]，吸收部份振動(dòng)能量，切斷載荷傳遞路徑，并放開所在結(jié)構(gòu)對(duì)于低壓轉(zhuǎn)子的支點(diǎn)約束；

圖5 FBO事件中結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)處的載荷計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比[8]

（5）低壓轉(zhuǎn)子由3支點(diǎn)支撐變?yōu)?支點(diǎn)支撐，造成臨界轉(zhuǎn)速大幅下降[14]，支點(diǎn)的外傳振動(dòng)載荷明顯下降；

（6）低壓轉(zhuǎn)子在2個(gè)支點(diǎn)的支撐下持續(xù)旋轉(zhuǎn)并逐漸減速，最終穩(wěn)定在風(fēng)車轉(zhuǎn)速。此時(shí)飛機(jī)仍繼續(xù)飛行，失效發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子保持風(fēng)車運(yùn)轉(zhuǎn)能力可以獲得比完全停轉(zhuǎn)更小的阻力，從而更加有利于飛行安全[15]。同時(shí)，由于放開了1個(gè)支點(diǎn)，所以風(fēng)車轉(zhuǎn)速仍然遠(yuǎn)高于此時(shí)低壓轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，低壓轉(zhuǎn)子處于超臨界工作狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子的自定心作用，由風(fēng)扇巨大不平衡量帶來的振動(dòng)載荷仍然比較小，更加有利于滿足適航條件中外傳振動(dòng)的要求，從而保證飛行安全；

（7）當(dāng)飛機(jī)接近機(jī)場(chǎng)開始減速或者著陸后，由于飛行速度下降導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車轉(zhuǎn)速降低，通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，即便風(fēng)扇存在巨大不平衡量，但是由于放開了1個(gè)支點(diǎn)后臨界轉(zhuǎn)速很低，引起的振動(dòng)能量有限，也不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更惡劣的影響。

3.3 載荷分析及結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)的布置

根據(jù)上述的適航要求和物理過程可以得出，F(xiàn)BO事件的保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有2個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)：（1）切斷大不平衡載荷外傳的路徑，防止過大的載荷外傳，以避免更為嚴(yán)酷的故障模式甚至是危險(xiǎn)性事件；（2）減少轉(zhuǎn)子支點(diǎn)，大幅降低臨界轉(zhuǎn)速，以保證帶有大不平衡量的轉(zhuǎn)子在風(fēng)車狀態(tài)的工作安全。

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在主傳力路線上各承力部件的受力情況如圖6所示。通過對(duì)于上述各承力部件在FBO狀態(tài)下的受力情況以及其破壞后的失效模式，可以分析出結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)的合適布置位置。

圖6 主傳力路線上各承力部件的受力情況

低壓轉(zhuǎn)子模型和前支點(diǎn)局部的等效應(yīng)力分布分別如圖7、8所示，計(jì)算模型的主要參數(shù)見表1。通過對(duì)于典型的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子簡化模型在FBO事件下的動(dòng)力學(xué)行為的仿真分析，可以得到：由于1支點(diǎn)軸承距離FBO后離心載荷的產(chǎn)生位置最近，所以A-B-C-D-E-J自然是FBO事件中的主要傳力路線；相應(yīng)的A-F-G-H-J為次要傳力路線；由于距離低壓轉(zhuǎn)子后支點(diǎn)比較遠(yuǎn)，所以經(jīng)過低壓渦輪軸I傳遞的載荷很小，對(duì)于FBO事件的影響可以忽略。

圖7 在低壓轉(zhuǎn)子模型上的等效應(yīng)力分布

圖8 前支點(diǎn)局部的等效應(yīng)力分布

根據(jù)上述仿真分析結(jié)果，各主要承力結(jié)構(gòu)的受力情況以及失效模式分析如下：

（1）風(fēng)扇后軸頸承受風(fēng)扇葉片飛失帶來的離心載荷、彎矩及低渦傳遞來的驅(qū)動(dòng)扭矩載荷和風(fēng)扇轉(zhuǎn)子軸向載荷，如果用這個(gè)部件充當(dāng)結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)的犧牲單元，將會(huì)導(dǎo)致觸發(fā)之后風(fēng)扇轉(zhuǎn)子飛出，形成危險(xiǎn)性事件；同時(shí)，由于低壓渦輪轉(zhuǎn)子失去扭矩負(fù)載和向前的軸向力平衡，可能會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子飛轉(zhuǎn)破裂，也是危險(xiǎn)事件[16]。風(fēng)扇后短軸以及其與風(fēng)扇后軸頸相連的安裝邊不能夠布置結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)也是基于同樣的原因。

表1 計(jì)算模型的主要參數(shù)

（2）1支點(diǎn)軸承承受風(fēng)扇FBO帶來的徑向載荷并允許風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，如果用這個(gè)部件充當(dāng)結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)的犧牲單元，將會(huì)導(dǎo)致軸承失效卡滯，既有可能導(dǎo)致無法滿足后續(xù)持續(xù)風(fēng)車運(yùn)轉(zhuǎn)的要求，還有可能造成低壓渦輪軸承受過大的扭矩沖擊出現(xiàn)扭斷，進(jìn)而帶來低渦轉(zhuǎn)子飛轉(zhuǎn)破裂的危險(xiǎn)事件。

（3）承力錐壁與1支點(diǎn)軸承座的安裝邊承受風(fēng)扇FBO帶來的徑向載荷（定位銷釘和螺栓的剪切力）和軸向載荷（僅對(duì)應(yīng)1支點(diǎn)軸承為球軸承的發(fā)動(dòng)機(jī)）。對(duì)于1支點(diǎn)軸承為棒軸承的情況，該處載荷情況比較單一，失效后風(fēng)扇轉(zhuǎn)子剩余支點(diǎn)可以比較完整的實(shí)現(xiàn)支撐和軸向傳力的功能；對(duì)于1支點(diǎn)軸承為球軸承的情況比較復(fù)雜，布置結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)時(shí)需要考慮在徑向載荷傳力路線切斷之后，如何繼續(xù)實(shí)現(xiàn)軸向載荷的傳遞的功能。

（4）承力錐壁承受風(fēng)扇FBO帶來的旋轉(zhuǎn)的彎矩載荷（錐壁一側(cè)受拉、另一側(cè)受壓，而且拉/壓的位置隨風(fēng)扇的離心載荷一起旋轉(zhuǎn)）和軸向載荷（僅對(duì)于1支點(diǎn)軸承為球軸承的發(fā)動(dòng)機(jī)），如果布置結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)所形成的后續(xù)故障模式與前安裝邊處相近，主要區(qū)別在于此處的載荷是拉/壓載荷，而前安裝邊處為剪切載荷，在具體的犧牲單元的結(jié)構(gòu)形式上不同。

（5）承力錐壁后安裝邊載荷情況和后續(xù)故障模式與承力錐壁處基本一致。

（6）中介機(jī)匣為整機(jī)最主要的承力結(jié)構(gòu)，高低壓的各種載荷都匯集于此，十分復(fù)雜，因此在此處布置保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)會(huì)使故障模式多樣化，不僅不能達(dá)到提升故障可預(yù)測(cè)性的目的，而且一旦破壞將是危害十分重大的危險(xiǎn)性事件。

綜合上述分析，在主傳力路線上的承力錐壁前安裝邊（C處）、承力錐壁（D處）和承力錐壁后安裝邊（E處）比較適合布置結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)犧牲單元。而且，從上述仿真分析結(jié)果可知（圖8），承力錐壁前后安裝邊的螺栓由于是傳力路線上的最薄弱點(diǎn)，其大面積局部應(yīng)力已經(jīng)超過2000 MPa（實(shí)際上已經(jīng)斷裂）顯著高于軸頸和承力錐壁等大構(gòu)件的600 MPa左右。這樣的區(qū)別也使得采用螺栓作為結(jié)構(gòu)犧牲單元，可以更容易精確地控制觸發(fā)門限值并能夠盡可能保證大構(gòu)件的完整從而控制失效模式。因此如果需要在承力錐壁上布置結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)，也需要考慮在承力錐壁上增加螺栓安裝邊來實(shí)現(xiàn)。

盡管在FBO事件中的次要傳力路線上的載荷傳遞和應(yīng)力都比較?。▓D8），在實(shí)際設(shè)計(jì)中也需要根據(jù)主傳力路線上的結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)的設(shè)計(jì)需要，設(shè)計(jì)次級(jí)結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)以放開局部自由度，以更好地實(shí)現(xiàn)FBO保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)的2個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.4 典型的犧牲單元結(jié)構(gòu)

從前面的的分析可知，不同保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)布置的結(jié)構(gòu)形式和載荷有著很大的差異，因此需要針對(duì)具體的情況確定最合適的犧牲單元結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)由于結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)設(shè)計(jì)對(duì)于各大發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商來說都是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)內(nèi)容，所以很難見到詳細(xì)的介紹，只能通過一定的典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程上的分析。

（1）承力錐壁前安裝邊的犧牲單元

典型的在承力錐壁前安裝邊（位置C）布置犧牲單元的方案如圖9所示，如RR公司的BR700系列發(fā)動(dòng)機(jī)，其具體實(shí)現(xiàn)形式是在軸承座彈性支撐環(huán)與前錐壁安裝邊之間布置徑向剪切銷（犧牲單元）。在遇到FBO情況下載荷超出預(yù)設(shè)計(jì)值時(shí)，安裝邊處的剪切載荷使剪切銷的頸縮處剪斷破壞，從而切斷1支點(diǎn)的徑向傳力路線。其觸發(fā)門檻值的設(shè)計(jì)可以通過頸縮處尺寸和剪切銷釘數(shù)量來實(shí)現(xiàn)。

圖9 BR710發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)犧牲單元

（2）承力錐壁后安裝邊的犧牲單元

典型的在承力錐壁后安裝邊布置犧牲單元的方案如圖10所示，如GE公司的Leap X系列發(fā)動(dòng)機(jī)，其具體實(shí)現(xiàn)形式是在前錐壁后安裝邊與2支點(diǎn)軸承座（通過螺栓固定于中介機(jī)匣上）之間布置頸縮螺栓（犧牲單元）。在遇到FBO情況下的巨大載荷時(shí)，承力錐壁受拉一側(cè)的頸縮螺栓在頸縮處拉斷，由于受拉的位置隨風(fēng)扇的離心載荷一起旋轉(zhuǎn)，實(shí)際上在風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)近1周之后所有的螺栓都將被拉斷，從而切斷1支點(diǎn)的徑向傳力路線。其觸發(fā)門檻值的設(shè)計(jì)可以通過頸縮處尺寸和螺栓數(shù)量來實(shí)現(xiàn)。

（3）次級(jí)結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)設(shè)計(jì)

典型的FBO事件的次級(jí)結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)布置方案如圖11所示，如GE公司的GE90-110B/115B、GEnx系列和Leap系列發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖10 Leap X發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)犧牲單元

圖11 GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)的次級(jí)結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)

其具體實(shí)現(xiàn)形式是在承力錐壁后安裝邊布置主傳力路線結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)之外，在2支點(diǎn)轉(zhuǎn)子承力錐壁與風(fēng)扇后短軸之間設(shè)計(jì)球鉸連接結(jié)構(gòu)，并在球鉸中心布置剪切銷。在遇到FBO情況下主結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)觸發(fā)失效后，1支點(diǎn)傳力路線被切斷，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子變成由2支點(diǎn)和5支點(diǎn)支撐，風(fēng)扇懸臂增大，低壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)較大的撓曲變形，在2支點(diǎn)截面出現(xiàn)較大的彎曲力矩和彎曲變形。此時(shí)球鉸內(nèi)部的剪切銷被剪斷，從而使球鉸結(jié)構(gòu)既能夠放開對(duì)于低壓轉(zhuǎn)子俯仰變形的約束，一方面防止轉(zhuǎn)子撓曲變形給2支點(diǎn)軸承帶來較大的彎矩影響，保證2支點(diǎn)軸承不失效；另一方面還能夠使軸承繼續(xù)傳遞徑向載荷和軸向載荷。

4 結(jié)束語

民用發(fā)動(dòng)機(jī)適航條款中的FBO事件后的“葉片包容性和轉(zhuǎn)子不平衡試驗(yàn)”和“持續(xù)風(fēng)車運(yùn)轉(zhuǎn)”2項(xiàng)條款對(duì)于某新型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制來說是十分苛刻的要求。結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)就是在面臨此類比較極端的設(shè)計(jì)要求時(shí)必須采用的設(shè)計(jì)手段。本文從上述要求為切入點(diǎn)，結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)的理論入手，分析了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)的功能需求、可能的布局位置和典型的結(jié)構(gòu)形式。該理論和方法也可以應(yīng)用于其他軍/民用發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)裝置設(shè)計(jì)上。

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