風(fēng)車狀態(tài)下翼下吊架強(qiáng)度與振動分析方法研究

鞠明明，漆文凱，張嘉東

(南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院， 南京 210016)

翼下吊架是大型飛機(jī)發(fā)動機(jī)與機(jī)翼的連接部件，主要用于傳遞發(fā)動機(jī)的載荷。隨著我國飛機(jī)事業(yè)的發(fā)展，對于吊架的研究越來越深入。Thomas R H[1]介紹了一種研究吊架氣動載荷特點(diǎn)的數(shù)值仿真方法；OLIVEIRA G等[2]針對ERJ145飛機(jī)吊架，采用CFD數(shù)值仿真方法，分析了吊架溫度場引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證；KO A等[3]采用多學(xué)科分析方法和CFD仿真方法，分析了在跨聲速條件下懸臂梁飛機(jī)吊架受機(jī)翼、梁相互干擾引起的氣動載荷特點(diǎn)；薛彩軍等[4]設(shè)計(jì)了一套吊架部段靜力試驗(yàn)系統(tǒng)，采用載荷偏移與力偶施加相結(jié)合的方法，測試了3種危險工況載荷；宋波濤等[5]利用ANSYS軟件建立吊架等效模型，在3種工況下分析了吊架結(jié)構(gòu)的減振特性。而對于渦扇發(fā)動機(jī)來說，除了正常工作狀態(tài)的載荷外，還有風(fēng)車狀態(tài)這一特殊狀態(tài)下的載荷。LIM S K等[6]建立了一種基于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和質(zhì)量流量的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)風(fēng)車狀態(tài)性能預(yù)測方法；ZACHOS P K[7]采用無量綱系數(shù)來描述風(fēng)車狀態(tài)特性，提出了一種預(yù)測風(fēng)車內(nèi)流阻力的方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；AIAA等[8-14]介紹了不同類型渦扇發(fā)動機(jī)風(fēng)車狀態(tài)下的各種載荷，包括阻力載荷和振動載荷。章仕彪[15]論述了吊架強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，并給出了不同載荷條件下的吊架可靠性評價方法；唐兆田等[16]根據(jù)適航要求并結(jié)合風(fēng)車載荷情況的特點(diǎn)，得出了適用于風(fēng)車載荷條件下飛機(jī)強(qiáng)度的評定方法。

本文中建立了翼下吊架有限元模型，明確各個正常工況載荷，并對風(fēng)車狀態(tài)載荷進(jìn)行了深入研究。在各種載荷工況組合下，建立一種吊架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動特性研究方法，為吊架的設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)。

1 翼下吊架有限元參數(shù)化模型

對于大型飛機(jī)來說，翼下吊架是連接發(fā)動機(jī)與機(jī)翼的連接部件，主要分為3種結(jié)構(gòu)形式[17]：阻力支柱式、盒式梁式和超靜定式。選取超靜定結(jié)構(gòu)形式，在UG中建立吊架的參數(shù)化實(shí)體模型，然后導(dǎo)入到Workbench中進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分，得到有限元參數(shù)化模型，如圖1所示。

圖1 翼下吊架有限元參數(shù)化模型

選取Solid185單元，節(jié)點(diǎn)個數(shù)為561 591，單元個數(shù)為114 679，材料為鈦合金Ti-6Al-4V，彈性模量為118 GPa，泊松比為0.31，屈服強(qiáng)度為896.4 MPa。其中A、C兩點(diǎn)為上接頭和下接頭，通過連桿與機(jī)翼相連；B為2個中間接頭，直接與機(jī)翼連接；D為2個側(cè)向接頭，通過連桿與機(jī)翼相連。G點(diǎn)為發(fā)動機(jī)后掛點(diǎn)，包括4個抗拉螺栓和1個剪切銷；E為發(fā)動機(jī)前掛點(diǎn)的左右2個吊耳，F(xiàn)為冗余結(jié)構(gòu)掛點(diǎn)。

2 風(fēng)車狀態(tài)載荷

發(fā)動機(jī)由正常狀態(tài)進(jìn)入風(fēng)車狀態(tài)時，可以分為2個階段[15]：第1階段為瞬態(tài)風(fēng)車階段(高能階段)，此時發(fā)動機(jī)未停車，通常持續(xù)幾秒至幾十秒；第2階段為持續(xù)風(fēng)車階段(風(fēng)車階段)，發(fā)動機(jī)已停車，葉片在氣流作用下仍然轉(zhuǎn)動。

2.1 瞬態(tài)風(fēng)車載荷

瞬態(tài)風(fēng)車載荷是指發(fā)動機(jī)由正常工作狀態(tài)到風(fēng)車狀態(tài)的過渡階段所產(chǎn)生的載荷，此時發(fā)動機(jī)未完全停止工作，主要包括瞬態(tài)沖擊載荷和轉(zhuǎn)子卡滯載荷。

瞬態(tài)沖擊載荷是指渦扇發(fā)動機(jī)葉片由于各種原因發(fā)生破裂，破損的葉片碎片會由于其高度性能而飛出，產(chǎn)生一個瞬態(tài)沖擊載荷，這個載荷通過發(fā)動機(jī)傳遞到吊架的安裝節(jié)處。碎片的大小不同，脫落角度不同，產(chǎn)生的沖擊載荷也會不同。在這里給出一個沖擊載荷計(jì)算公式：

(1)

式中：F為沖擊載荷；m為碎片質(zhì)量；n(r/min)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；R為脫落處距離中心轉(zhuǎn)軸的半徑;t為脫落時間。

轉(zhuǎn)子卡滯載荷是指渦輪葉片由于外界原因(缺少潤滑、溫度場不均勻、導(dǎo)向器變形、轉(zhuǎn)子失衡)導(dǎo)致葉片轉(zhuǎn)速下降而產(chǎn)生的與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反向的力偶?？d荷作用在葉片安裝節(jié)處，載荷大小與轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動慣量相關(guān)，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：M為卡滯載荷；JX為葉片轉(zhuǎn)動慣量；ω1為初始轉(zhuǎn)速；ω2為終止轉(zhuǎn)速；t0為卡滯時間。

轉(zhuǎn)子卡滯與時間歷程有很大關(guān)系，時間越短產(chǎn)生的力矩就越大，特別當(dāng)轉(zhuǎn)子瞬間卡死時，會產(chǎn)生非常大的扭矩，甚至能把安裝軸扭斷?？a(chǎn)生的扭矩會通過轉(zhuǎn)子支撐體系傳到機(jī)匣，再傳到發(fā)動機(jī)的安裝節(jié)上。

2.2 持續(xù)風(fēng)車載荷

持續(xù)風(fēng)車載荷產(chǎn)生在發(fā)動機(jī)已完全進(jìn)入風(fēng)車狀態(tài)的情況下，此時發(fā)動機(jī)已完全停止工作，轉(zhuǎn)速降低到了穩(wěn)定的風(fēng)車轉(zhuǎn)速，載荷主要包括風(fēng)車阻力載荷和風(fēng)車不平衡振動載荷。

風(fēng)車阻力載荷是風(fēng)車狀態(tài)下，由于空氣對發(fā)動機(jī)的阻礙作用而產(chǎn)生的。對于渦扇發(fā)動機(jī)來說，飛行馬赫數(shù)Ma越大，風(fēng)車阻力越大。下面給出一個風(fēng)車阻力計(jì)算公式：

(3)

其中：ΔDW為風(fēng)車阻力；ΔCDW為風(fēng)車阻力系數(shù)，一般為0.001～0.015[18]；ρ為空氣密度；SW為發(fā)動機(jī)迎風(fēng)面積。

飛行馬赫數(shù)增大，速度沖壓壓比迅速增大，渦輪可以有更大的膨脹比產(chǎn)生渦輪功帶動壓氣機(jī)，所以風(fēng)車轉(zhuǎn)速隨飛行速度的增加而增加。對于大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)來說，外涵道流動阻力相對于內(nèi)涵道要小得多，所以在風(fēng)車狀態(tài)下，大量空氣從外涵道流過，如設(shè)計(jì)涵道比在56的發(fā)動機(jī)，風(fēng)車狀態(tài)下涵道比可達(dá)80∶1。風(fēng)扇葉片處于大的負(fù)攻角狀態(tài)工作，負(fù)荷極輕。

風(fēng)車振動載荷發(fā)生在穩(wěn)態(tài)風(fēng)車工況下，使轉(zhuǎn)子輪盤破裂進(jìn)入風(fēng)車狀態(tài)，由于質(zhì)量偏心而產(chǎn)生偏心振動，與偏心質(zhì)量和轉(zhuǎn)速有關(guān)。激勵頻率在一定頻率內(nèi)[16](一般可能為0～150 Hz)連續(xù)變化，理論上存在無數(shù)個頻率點(diǎn)，每個頻率點(diǎn)對應(yīng)一套完整的動載荷。直接將全部動載荷用于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算是不現(xiàn)實(shí)的，因此采用載荷系數(shù)的方法編制載荷譜。圖2是某型渦扇發(fā)動機(jī)空中停車導(dǎo)致的風(fēng)車不平衡振動加速度譜，是由飛機(jī)飛行實(shí)測載荷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出的[9]。

圖2 風(fēng)車不平衡振動加速度譜

表1 風(fēng)車載荷頻譜

3 吊架強(qiáng)度與振動計(jì)算分析

3.1 邊界條件

在Workbench軟件中，對吊架的有限元模型的上接頭A、中接頭B、后接頭C的位移約束為X、Y、Z三個方向上為0，繞X、Y方向角度約束為0，繞Z方向?yàn)樽杂杉s束；側(cè)接頭D的位移約束為X、Y、Z三個方向上為0，繞Y、Z方向角度約束為0，繞X方向?yàn)樽杂杉s束。

發(fā)動機(jī)本身慣性由E、G兩處共同承擔(dān)，推力由后掛點(diǎn)G處承擔(dān)。因此，X方向載荷由發(fā)動機(jī)后掛點(diǎn)G來承擔(dān)，Y和Z方向載荷由前、后掛點(diǎn)共同承擔(dān)，前、后掛點(diǎn)承擔(dān)的載荷比例根據(jù)具體發(fā)動機(jī)型號的重心位置和安裝位置決定。

3.2 多工況靜強(qiáng)度計(jì)算與分析

根據(jù)飛機(jī)飛行的各種工況，列出以下幾種載荷工況[4,15]。其中1g表示發(fā)動機(jī)慣性1倍過載，本文中選取的發(fā)動機(jī)CFM56-3B-1型號，最大推力為92.50 kN，自質(zhì)量為2 403 kg。根據(jù)CCAR-25-R4§25.303條，對于推力載荷取1.5安全系數(shù)，極限載荷可不取安全系數(shù)。

表2為吊架承受的正常工況載荷，工況1001和1002為發(fā)動機(jī)沿X方向的極限慣性載荷，工況1003和1004為轉(zhuǎn)彎極限載荷，工況1005和1007為Z向極限載荷，工況1006和1008為最大推力狀態(tài)下Z向最大極限載荷。其中，根據(jù)發(fā)動機(jī)的重心位置和安裝位置，取前、后掛點(diǎn)承擔(dān)的載荷比例為2∶1[20]。

在Workbench中計(jì)算以上8個正常工況組合，得到的應(yīng)力和形變結(jié)果如表3所示。

表2 吊架正常工況載荷

表3 吊架正常工況計(jì)算結(jié)果

由表3可以得出：各工況中，最大應(yīng)力為527.60 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度827 MPa，因此吊架是安全的。而且在各個工況中，最大應(yīng)力都發(fā)生在吊架側(cè)向接頭或后接頭處，最大位移都發(fā)生在發(fā)動機(jī)前掛點(diǎn)。因此，應(yīng)對應(yīng)力集中處進(jìn)行適當(dāng)強(qiáng)化，例如添加加強(qiáng)筋或者增加材料厚度等；對于形變較大的前掛點(diǎn)，最大位移為8.305 5 mm，應(yīng)適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)的允許形變距離，保證結(jié)構(gòu)的安全性。

3.3 風(fēng)車工況計(jì)算與分析

根據(jù)風(fēng)車工況的載荷特點(diǎn)，取3.1中的邊界條件，并以單位力沖擊載荷或單位扭矩載荷作為載荷工況邊界，作用時間[15]取0.027 s,對吊架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析與計(jì)算。

根據(jù)吊架結(jié)構(gòu)屈服極限為827 MPa，結(jié)合圖3、4的計(jì)算結(jié)果，得出各個方向上所能承受的最大載荷。

圖3 單位力沖擊載荷應(yīng)力變化

圖4 單位扭矩載荷應(yīng)力變化

邊界條件單位力載荷/N單位扭矩載荷/(N·m)X2.05×1064.26×104Y2.67×1051.74×105Z7.07×1051.37×105

表4中，吊架各個方向上能承受的極限載荷是不同的，其中X方向能承受的極限載荷最大，表明在推力方向，吊架結(jié)構(gòu)具有很好的強(qiáng)度特性，能很好地傳遞發(fā)動機(jī)的推理載荷。X方向上的扭矩極限載荷最小，這是因?yàn)榈跫艿陌l(fā)動機(jī)前掛點(diǎn)位置的寬度小于吊架結(jié)構(gòu)的長度，且對于翼吊式飛機(jī)來說，慣性載荷大多是俯仰和轉(zhuǎn)彎慣性載荷，因此該方向上的扭矩極限載荷滿足本身吊架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

根據(jù)圖2的風(fēng)車狀態(tài)振動載荷譜，在Workbench中對吊架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析計(jì)算，得到的吊架位移響應(yīng)結(jié)果如圖5所示。

圖5 風(fēng)車振動載荷位移響應(yīng)

從圖5中可以看出：在風(fēng)車外載荷譜的激勵下，最大位移響應(yīng)發(fā)生在吊架發(fā)動機(jī)前掛點(diǎn)附近。由于本文中的吊架模型是一個近似對稱模型，所以吊架的位移響應(yīng)相對于中截面是對稱的，且越靠近發(fā)動機(jī)前掛點(diǎn)，位移響應(yīng)值越大。

為了驗(yàn)證風(fēng)車振動載荷形變的合理性，根據(jù)圖2風(fēng)車振動載荷的載荷譜，選取峰值振動頻率，計(jì)算峰值頻率下吊架的位移響應(yīng)，結(jié)果如表5所示。

表5 峰值頻率下吊架位移響應(yīng)

由表5可以看出：在峰值頻率下，吊架產(chǎn)生的最大形變在40 Hz處，且位置為吊架發(fā)動機(jī)前掛點(diǎn)附近，與圖5中的最大位移響應(yīng)位置相吻合。發(fā)動機(jī)頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)，吊架本身固有頻率在Workbench中進(jìn)行計(jì)算，得出前5階為30.909、53.21、83.707、121.3、187.36 Hz。與圖2中的峰值頻率進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：發(fā)動機(jī)峰值頻率與吊架結(jié)構(gòu)本身固有頻率相差很大，不會產(chǎn)生共振。

4 結(jié)束語

1) 參考已有的翼下吊架結(jié)構(gòu)形式，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種后傳扭的超靜定式吊架結(jié)構(gòu)有限元模型，能更好地傳遞發(fā)動機(jī)的載荷；

2) 對風(fēng)車工況這種非正常工況進(jìn)行了載荷研究，并根據(jù)載荷特點(diǎn)進(jìn)行了分類，根據(jù)風(fēng)車的時間歷程，結(jié)合CCAR-25的相關(guān)規(guī)定，分為瞬態(tài)風(fēng)車載荷和持續(xù)風(fēng)車載荷；

3) 在正常工況和風(fēng)車工況下，對吊架模型進(jìn)行了強(qiáng)度和振動特性研究，建立了一種多工況條件下吊架載荷傳遞響應(yīng)分析方法，并對該方法進(jìn)行了驗(yàn)證；

4) 發(fā)動機(jī)載荷通過吊架傳遞到飛機(jī)機(jī)翼，最終傳遞到機(jī)身，本文方法可用于研究吊架載荷傳遞的強(qiáng)度和振動特性，同時對吊架本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要的參考意義。

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