航空發(fā)動(dòng)機(jī)支點(diǎn)剛度與整機(jī)變形分析方法

王開(kāi)明，方 雯，王衛(wèi)國(guó)

(中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研發(fā)中心，上海201108)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)支點(diǎn)剛度與整機(jī)變形對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)安全性和可靠性有著重要影響，是總體設(shè)計(jì)分析中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。支點(diǎn)剛度與轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性緊密相關(guān)，對(duì)整機(jī)振動(dòng)水平的控制至關(guān)重要。發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，要承受多種載荷，但針對(duì)確定的整機(jī)結(jié)構(gòu)方案，整機(jī)變形都符合一定的規(guī)律，如推力彎矩引起的機(jī)匣彎曲，陀螺力矩引起的轉(zhuǎn)子彎曲，離心力和溫度載荷引起的整機(jī)軸向變形等。在分析支點(diǎn)剛度和整機(jī)變形對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功能實(shí)現(xiàn)的影響時(shí)，除經(jīng)驗(yàn)參考和研制后期試驗(yàn)驗(yàn)證外，在設(shè)計(jì)階段還應(yīng)采用合理的設(shè)計(jì)分析方法，最大程度降低因剛度、間隙設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致的振動(dòng)超標(biāo)、嚴(yán)重碰磨等故障發(fā)生的概率[1-3]。在實(shí)際研發(fā)過(guò)程中應(yīng)給予充分重視，采用具有可操作性的工程分析方法，對(duì)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)提出明確的量化要求。國(guó)內(nèi)張大義等[4]開(kāi)展過(guò)結(jié)構(gòu)效率相關(guān)研究，對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平及剛度水平進(jìn)行了評(píng)估分析，并與成熟機(jī)型進(jìn)行對(duì)比進(jìn)而給出結(jié)論；臧朝平等[5]利用整機(jī)有限元模型開(kāi)展模態(tài)及響應(yīng)分析，對(duì)模型修正及發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力特性進(jìn)行了研究。但國(guó)內(nèi)研究鮮有涉及整機(jī)層面剛度與變形分析在發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目中的應(yīng)用。為此，本文利用整機(jī)模型對(duì)剛度變形提出設(shè)計(jì)要求，在發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)整機(jī)模型同步開(kāi)展支點(diǎn)剛度與變形量化分析，支點(diǎn)剛度結(jié)果用于對(duì)軸承支承提出明確的剛度要求，整機(jī)變形結(jié)果用于發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案評(píng)估，為總體結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化提供重要輸入。

2 整機(jī)支點(diǎn)剛度與變形分析

在開(kāi)展支點(diǎn)剛度與整機(jī)變形分析前，需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果建立整機(jī)有限元模型。在概念設(shè)計(jì)階段，建模的輸入為發(fā)動(dòng)機(jī)二維總圖，以及主承力機(jī)匣的支板數(shù)目，周向分布及支板界面形狀。有限元建模時(shí)要進(jìn)行三維化處理。在初步和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，各部件已經(jīng)完成三維UG模型的繪制，此時(shí)有限元建模輸入為整機(jī)三維UG模型，建模時(shí)要進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化處理。有限元建模完成后開(kāi)展整機(jī)模型的裝配，整機(jī)有限元模型建立后便可開(kāi)展支點(diǎn)剛度分析和整機(jī)變形分析。分析流程如圖1所示。

3 整機(jī)有限元建模

整機(jī)有限元建模包括部件有限元建模和整機(jī)模型裝配，如圖2所示。實(shí)際工作中，在建模及裝配階段均應(yīng)開(kāi)展規(guī)定的檢驗(yàn)工作，確保各部件有限元模型準(zhǔn)確性后再開(kāi)展整機(jī)裝配工作。整機(jī)裝配時(shí)也要分步實(shí)施，且每做完一個(gè)步驟都要進(jìn)行規(guī)定的檢驗(yàn)工作，避免在整機(jī)裝配完成后計(jì)算出錯(cuò)，以提高建模效率。

3.1 模型簡(jiǎn)化原則

用于整機(jī)剛度與變形分析的有限元模型是對(duì)整機(jī)進(jìn)行宏觀(guān)分析，各部件與系統(tǒng)的應(yīng)力并不是主要關(guān)注對(duì)象。所有用于網(wǎng)格劃分的UG模型需要進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化前后等效剛度應(yīng)一致。主要簡(jiǎn)化原則有[4-6]：

(1)去除法蘭邊及支板處的倒圓倒角；

(2)去除法蘭邊螺栓及螺栓孔；

(3)去除機(jī)匣上的管路和可調(diào)靜子葉片作動(dòng)機(jī)構(gòu)；

(4)去除機(jī)匣上的引氣、導(dǎo)氣孔；

(5)管路、附件機(jī)匣等采用集中質(zhì)量點(diǎn)代替；

(6)轉(zhuǎn)子葉片采用集中質(zhì)量點(diǎn)代替；

(7)對(duì)機(jī)匣剛度無(wú)加強(qiáng)作用的靜子葉片采用集中質(zhì)量點(diǎn)代替，起承力作用的靜子葉片要在有限元模型中體現(xiàn)。

3.2 編號(hào)規(guī)定

整機(jī)模型涉及的零部件較多，經(jīng)常需要多人共同協(xié)作完成有限元建模。為避免有限元軟件中整機(jī)模型各部件之間因編號(hào)沖突引發(fā)錯(cuò)誤，應(yīng)明確規(guī)定整機(jī)有限元模型中各類(lèi)編號(hào)要求，主要包括：坐標(biāo)系編號(hào)，單元編號(hào)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)，材料編號(hào)，單元類(lèi)型編號(hào)，實(shí)常數(shù)及Section編號(hào)等。在建模及模型裝配過(guò)程中需嚴(yán)格按照編號(hào)要求進(jìn)行編號(hào)，每個(gè)有限元模型不能超出對(duì)其規(guī)定的編號(hào)范圍。同時(shí)，要協(xié)商規(guī)定好節(jié)點(diǎn)、單元組的命名，以方便后續(xù)整機(jī)模型的裝配和結(jié)果的后處理。需指出，根據(jù)不同項(xiàng)目型號(hào)的特點(diǎn)，可對(duì)編號(hào)規(guī)則進(jìn)行調(diào)整。

3.3 部件網(wǎng)格劃分及檢驗(yàn)

首先建立自由劃分的較大規(guī)模的四面體二次單元基準(zhǔn)模型，計(jì)算自由模態(tài)，提取前10階非剛體模態(tài)頻率，當(dāng)頻率數(shù)值不再隨網(wǎng)格密度增加而變化時(shí)即可認(rèn)為該組頻率為基準(zhǔn)頻率[5]。確定基準(zhǔn)頻率后，采用六面體實(shí)體單元+殼單元建立用于整機(jī)裝配的簡(jiǎn)化模型，以降低整機(jī)模型規(guī)模，提高整機(jī)模型前處理和計(jì)算的效率。該簡(jiǎn)化模型網(wǎng)格數(shù)目較少，但其自由模態(tài)前10階非剛體模態(tài)頻率與基準(zhǔn)頻率相差不應(yīng)超過(guò)5%，或采用模態(tài)相關(guān)性評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行量化評(píng)估(如模態(tài)置信因子)。簡(jiǎn)化模型、基準(zhǔn)模型及二者模態(tài)相關(guān)性評(píng)價(jià)示例如圖3、圖4所示。

劃分部件網(wǎng)格時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守編號(hào)及命名要求，同時(shí)開(kāi)展模型檢驗(yàn)工作。交付整機(jī)裝配前，應(yīng)完成如下規(guī)定的模型檢驗(yàn)工作：①進(jìn)行靜力學(xué)拉伸、彎曲及各方向施加加速度分析，保證變形云圖連續(xù)、合理；②進(jìn)行自由模態(tài)分析，確保前6階模態(tài)為剛體模態(tài)，第7階為非剛體模態(tài)，位移云圖連續(xù)合理。

3.4 整機(jī)有限元模型裝配及檢驗(yàn)

整機(jī)有限元模型裝配步驟：

(1)整機(jī)靜子機(jī)匣裝配。通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的機(jī)匣法蘭邊連接程序，采用彈簧+集中質(zhì)量點(diǎn)+剛性梁(采用ANSYS中MPC184單元)模擬螺栓連接，將發(fā)動(dòng)機(jī)靜子機(jī)匣裝配成一個(gè)整體模型。裝配完成后開(kāi)展拉伸和彎曲分析，檢查變形云圖連續(xù)、合理，確保每處法蘭邊都正確連接。

(2)轉(zhuǎn)子和靜子機(jī)匣裝配。通過(guò)集中質(zhì)量點(diǎn)+彈簧模擬軸承連接，自由度約束關(guān)系與真實(shí)軸承相同。裝配完成后開(kāi)展施加過(guò)載和陀螺力矩靜力學(xué)分析，檢查軸承連接處載荷與理論算法相等，確保軸承連接正確。

(3)安裝系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)裝配。采用桿單元+球鉸單元模擬安裝系統(tǒng)連桿與發(fā)動(dòng)機(jī)和安裝節(jié)的連接，符合真實(shí)安裝系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)自由度的約束關(guān)系。裝配完成后開(kāi)展施加過(guò)載的靜力學(xué)分析，檢查各連桿處載荷分配符合理論預(yù)期規(guī)律，合力與理論算法相等。

以上每步完成后都要進(jìn)行規(guī)定的檢驗(yàn)，逐步確保裝配的正確性，最終完成整機(jī)有限元模型裝配。

4 支點(diǎn)剛度計(jì)算分析

支點(diǎn)剛度反映發(fā)動(dòng)機(jī)傳力路徑上的剛性，結(jié)合轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速分析所得支點(diǎn)剛度要求值，可對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)算及剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)，為整機(jī)剛度設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析提供支持。同時(shí)，根據(jù)支點(diǎn)剛度計(jì)算結(jié)果，對(duì)各支點(diǎn)軸承支承剛度提出要求，為軸承支承設(shè)計(jì)提供參考。

4.1 模型、約束及載荷

整機(jī)支點(diǎn)剛度計(jì)算基于整機(jī)有限元模型進(jìn)行，模型包括靜子機(jī)匣和各支點(diǎn)軸承座及彈支。由于安裝系統(tǒng)只影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體模態(tài)，對(duì)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速影響較小，因此剛度計(jì)算模型中不包含安裝系統(tǒng)。在安裝系統(tǒng)與機(jī)匣連接位置進(jìn)行相應(yīng)約束，用以等效安裝系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的約束：中介機(jī)匣與前安裝節(jié)連接位置約束徑向(UY、UZ)，渦輪后機(jī)匣與后安裝節(jié)連接位置約束徑向(UY、UZ)，中介機(jī)匣與推力拉桿連接位置約束軸向(UX)。

研究對(duì)象的支點(diǎn)布局及形式如圖5所示。1#、4#、5#軸承為滾棒軸承，只傳遞徑向載荷；2#、3#號(hào)軸承為滾珠軸承，承受徑向載荷和轉(zhuǎn)子軸向力載荷。整機(jī)剛度計(jì)算時(shí)在對(duì)應(yīng)支點(diǎn)的軸承座內(nèi)圈加載載荷，如圖5所示(以1#支點(diǎn)剛度計(jì)算為例)。加載方式為余弦分布力，計(jì)算剛度時(shí)采用合力除以?xún)?nèi)圈節(jié)點(diǎn)在合力方向上的平均位移。

4.2 整機(jī)剛度計(jì)算結(jié)果分析及應(yīng)用

整機(jī)支點(diǎn)剛度計(jì)算結(jié)果如表1所示。根據(jù)該結(jié)果，可開(kāi)展支點(diǎn)剛度符合性分析和軸承支承剛度要求計(jì)算。

表1 整機(jī)剛度計(jì)算結(jié)果示例Table 1 Example of bearing stiffness analysis results

轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速分析結(jié)果給出了能滿(mǎn)足轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性要求的支點(diǎn)剛度范圍[7]，整機(jī)支點(diǎn)剛度計(jì)算結(jié)果給出了整機(jī)各支點(diǎn)計(jì)算剛度結(jié)果，整機(jī)支點(diǎn)剛度應(yīng)滿(mǎn)足臨界轉(zhuǎn)速分析要求的支點(diǎn)剛度范圍。具體驗(yàn)證方法如下：

(1)整機(jī)各支點(diǎn)剛度能滿(mǎn)足轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速對(duì)支點(diǎn)剛度要求，證明支承剛度設(shè)計(jì)合理；

(2)整機(jī)各支點(diǎn)剛度不能滿(mǎn)足轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速對(duì)支點(diǎn)剛度要求，應(yīng)對(duì)實(shí)際計(jì)算所得支承剛度進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速分析，得出剛度變化對(duì)臨界轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子應(yīng)變能的影響，對(duì)臨界轉(zhuǎn)速影響較小可沿用當(dāng)前設(shè)計(jì)，影響較大則需進(jìn)行支承剛度設(shè)計(jì)優(yōu)化。

開(kāi)展支承剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，相對(duì)較為容易實(shí)現(xiàn)的是對(duì)軸承支承部件進(jìn)行改動(dòng)。此時(shí)可利用整機(jī)模型和剛度串聯(lián)方法計(jì)算軸承支承剛度，進(jìn)而對(duì)軸承支承提出剛度要求。

如圖6所示，如要求計(jì)算1#支點(diǎn)至界面A的剛度，即1#支點(diǎn)上軸承+軸承座+彈支的整體剛度，首先需計(jì)算整機(jī)模型中A界面位置的剛度，然后利用剛度串聯(lián)原理，求解1#支點(diǎn)至界面A的剛度值。計(jì)算方法示意如圖7所示。

A界面位置的剛度K1，1#支點(diǎn)支承剛度K，所需求解的1#支點(diǎn)軸承支承整體剛度KAA′，三者關(guān)系可表達(dá)為：

利用各支點(diǎn)軸承支承剛度計(jì)算結(jié)果，可對(duì)軸承支承提出剛度要求，供軸承設(shè)計(jì)方參考。在軸承支承設(shè)計(jì)過(guò)程中，可根據(jù)支承部件數(shù)模進(jìn)行剛度計(jì)算，對(duì)剛度設(shè)計(jì)進(jìn)行校核；同時(shí)，可進(jìn)行支承部件剛度試驗(yàn)，進(jìn)一步評(píng)估設(shè)計(jì)結(jié)果。

5 整機(jī)變形計(jì)算分析

通過(guò)計(jì)算整機(jī)在外部作用力、溫度及氣體載荷下的轉(zhuǎn)子/機(jī)匣相對(duì)位移，經(jīng)相應(yīng)數(shù)據(jù)后處理，可分析各級(jí)轉(zhuǎn)靜葉片軸向間隙、高低壓轉(zhuǎn)子軸間間隙、安裝系統(tǒng)連桿與機(jī)匣吊耳間隙和機(jī)械系統(tǒng)軸承偏轉(zhuǎn)角度等，這些信息對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)布局合理性、部件及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要輸入。

5.1 模型、約束及載荷

整機(jī)變形分析基于整機(jī)靜力學(xué)有限元模型。與剛度分析模型不同，整機(jī)變形分析模型包括安裝系統(tǒng)，并需要?jiǎng)?chuàng)建相應(yīng)的集中質(zhì)量點(diǎn)用于變形結(jié)果后處理。由于這些集中質(zhì)量點(diǎn)在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中并不存在，因此其質(zhì)量設(shè)置為0以消除對(duì)變形結(jié)果的影響。根據(jù)軸心位移后處理需要，在關(guān)注位置均需建立軸心集中質(zhì)量點(diǎn)，如轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的各級(jí)盤(pán)心、風(fēng)扇軸、低壓軸、高壓空氣導(dǎo)管及軸承連接等位置，機(jī)匣結(jié)構(gòu)中的各部件機(jī)匣、軸承支點(diǎn)等位置。建立的集中質(zhì)量點(diǎn)數(shù)目應(yīng)能充分表征結(jié)構(gòu)宏觀(guān)變形的趨勢(shì)和規(guī)律。用于軸心位移后處理的集中質(zhì)量點(diǎn)如圖8所示。

計(jì)算變形時(shí)應(yīng)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)安裝時(shí)的狀態(tài)，若條件允許應(yīng)包含飛機(jī)吊架，若不具備條件則固支前后安裝節(jié)與吊架連接面上的所有節(jié)點(diǎn)。約束高低壓轉(zhuǎn)子軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

按強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求中規(guī)定的發(fā)動(dòng)機(jī)正常載荷、限制載荷進(jìn)行變形計(jì)算分析。對(duì)規(guī)定的載荷進(jìn)行計(jì)算后分別找出正常載荷、限制載荷對(duì)應(yīng)的各級(jí)轉(zhuǎn)靜子最大相對(duì)位移并與冷態(tài)間隙進(jìn)行比較，在正常載荷及限制載荷作用下不允許發(fā)生轉(zhuǎn)靜子葉片軸向碰磨，轉(zhuǎn)子葉片與機(jī)匣徑向碰磨量不能超出葉片對(duì)應(yīng)機(jī)匣處易磨涂層厚度，低壓軸與空氣導(dǎo)管不能發(fā)生徑向碰磨。

計(jì)算過(guò)程中載荷施加方式為：加速度施加于整機(jī)模型質(zhì)心，整機(jī)角速度和角加速度通過(guò)局部坐標(biāo)系施加于質(zhì)心，轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)角速度分別施加于高低壓轉(zhuǎn)子單元組；推力根據(jù)氣體軸向力計(jì)算結(jié)果分別施加于止推軸承支點(diǎn)和各機(jī)匣及短艙安裝邊，氣體軸向力的合力等于對(duì)應(yīng)狀態(tài)的推力。

溫度載荷按空氣系統(tǒng)對(duì)應(yīng)狀態(tài)各機(jī)匣及轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)分析結(jié)果插值到對(duì)應(yīng)有限元模型中。發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇端溫度相對(duì)較低，熱分析一般僅進(jìn)行簡(jiǎn)單溫度評(píng)估，按位置點(diǎn)給出一維溫度分布。對(duì)于軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，熱分析一般采用二維模型開(kāi)展溫度場(chǎng)計(jì)算；對(duì)于非軸對(duì)稱(chēng)機(jī)匣，需采用三維模型開(kāi)展溫度場(chǎng)計(jì)算分析。因此，對(duì)于整機(jī)有限元模型，其溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)格式不同。針對(duì)不同格式的溫度場(chǎng)，可開(kāi)展一維、二維和三維溫度場(chǎng)插值。插值時(shí)按部件逐個(gè)進(jìn)行，每個(gè)部件插值后要與溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比檢查。壓氣機(jī)機(jī)匣二維溫度場(chǎng)插值示例如圖9所示。

5.2 變形分析內(nèi)容及階段劃分

整機(jī)模型中轉(zhuǎn)子與機(jī)匣在外部作用力載荷下均產(chǎn)生變形，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相對(duì)靜子結(jié)構(gòu)發(fā)生相對(duì)位移，改變轉(zhuǎn)靜子間隙及系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)間隙。分析時(shí)主要關(guān)注各轉(zhuǎn)動(dòng)部件與機(jī)匣在整機(jī)層面的相對(duì)位移或位置關(guān)系，主要包括各級(jí)轉(zhuǎn)靜葉片軸向間隙、高低壓轉(zhuǎn)子軸間間隙、安裝系統(tǒng)連桿與機(jī)匣吊耳間隙，及機(jī)械系統(tǒng)軸承偏轉(zhuǎn)角度等。根據(jù)不同位置間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的影響程度，可分階段對(duì)各位置間隙進(jìn)行分析：在概念設(shè)計(jì)階段，先關(guān)注轉(zhuǎn)靜子葉片軸向間隙和高低壓軸軸間間隙，保證安全性；在初步和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，在保證安全性的基礎(chǔ)上再考慮對(duì)效率損失有影響的葉片/機(jī)匣徑向間隙、對(duì)安裝系統(tǒng)和機(jī)匣吊耳細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有影響的局部間隙及軸承偏轉(zhuǎn)角度、短艙變形等。

由于變形取決于載荷、結(jié)構(gòu)剛度和約束方式，而影響這三者的變量很多。如總體性能方面的推力量級(jí)、涵道比，總體結(jié)構(gòu)方面的安裝形式、支點(diǎn)布局，載荷方面的慣性力、陀螺力矩、氣體載荷、溫度載荷，部件具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中的關(guān)鍵尺寸(半徑、厚度、長(zhǎng)度等)。圖10對(duì)整機(jī)變形分析在不同設(shè)計(jì)階段的任務(wù)進(jìn)行了梳理，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可開(kāi)展有針對(duì)性的計(jì)算分析，變形結(jié)果應(yīng)滿(mǎn)足安全性要求、效率需求及部件設(shè)計(jì)需求。

5.3 發(fā)動(dòng)機(jī)軸心徑向位移

圖11為發(fā)動(dòng)機(jī)在陀螺力矩作用下的變形示意圖。為方便顯示，可采用軸心徑向位移圖(圖12)來(lái)定量給出轉(zhuǎn)子和機(jī)匣的軸心徑向相對(duì)位移。其中公轉(zhuǎn)角速度由飛機(jī)俯仰飛行產(chǎn)生，量級(jí)為0.15 rad/s，矢量方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)向(順航向左側(cè))。

發(fā)動(dòng)機(jī)軸心徑向位移圖形式簡(jiǎn)潔，但內(nèi)涵豐富，從圖中可對(duì)整機(jī)從前到后轉(zhuǎn)子/機(jī)匣徑向碰磨風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，低壓軸/高壓轉(zhuǎn)子空氣導(dǎo)管、風(fēng)扇增壓級(jí)轉(zhuǎn)子/機(jī)匣、低壓渦輪轉(zhuǎn)子/機(jī)匣位置發(fā)生碰磨風(fēng)險(xiǎn)通常較大。借助專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的后處理程序，可基于單位工況結(jié)果進(jìn)行不同機(jī)動(dòng)載荷下的軸心變形圖繪制，可較大程度提高工作效率。同時(shí)，由于推力彎矩的作用(圖13)，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣軸心會(huì)產(chǎn)生彎曲(圖14)，致使壓氣機(jī)機(jī)匣產(chǎn)生橢圓變形，影響葉尖間隙均勻性，進(jìn)而對(duì)效率產(chǎn)生影響[8]。因此，在壓氣機(jī)間隙分析時(shí)應(yīng)予以考慮。

5.4 轉(zhuǎn)/靜結(jié)構(gòu)軸向間隙

為保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全性，轉(zhuǎn)/靜結(jié)構(gòu)軸向不允許碰磨。引發(fā)轉(zhuǎn)/靜結(jié)構(gòu)軸向碰磨主要有兩個(gè)原因：①機(jī)匣+軸承支承的軸向剛度偏小，在轉(zhuǎn)子軸向力作用下軸向位移過(guò)大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子相對(duì)機(jī)匣整體移動(dòng)，轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片的軸向間隙變小，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生軸向碰磨；②轉(zhuǎn)子系統(tǒng)抗彎剛度偏低，在陀螺力矩作用下發(fā)生連接軸的彎曲，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片和輪盤(pán)整體偏轉(zhuǎn)，葉尖、葉根及篦齒封嚴(yán)處軸向位移過(guò)大，與靜子葉片或靜子結(jié)構(gòu)發(fā)生軸向碰磨。

計(jì)算完成后提取整機(jī)有限元模型中每一級(jí)間隙后處理集中質(zhì)量點(diǎn)的位移。同機(jī)匣連接的集中質(zhì)量點(diǎn)與同轉(zhuǎn)子連接的集中質(zhì)量點(diǎn)，其軸向位移之差為轉(zhuǎn)靜子軸向相對(duì)位移，可用來(lái)評(píng)估轉(zhuǎn)靜結(jié)構(gòu)軸向初始間隙設(shè)計(jì)是否合理。針對(duì)每一種工況，每級(jí)轉(zhuǎn)靜子都應(yīng)給出軸向相對(duì)位移的最大值和最小值(圖15)。比較各級(jí)轉(zhuǎn)靜子初始軸向間隙與軸向相對(duì)位移，若軸向相對(duì)位移超出初始預(yù)留間隙，則表明發(fā)生軸向碰磨，必須采取解決措施(如增強(qiáng)相關(guān)結(jié)構(gòu)剛性、加大碰磨處初始間隙等)，給出修改建議。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方應(yīng)綜合考慮各種因素，依據(jù)建議對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改完善。結(jié)構(gòu)修改后再次進(jìn)行間隙分析，確保不發(fā)生軸向碰磨。

6 結(jié)論

研究了利用整機(jī)有限元模型開(kāi)展剛度變形分析，對(duì)實(shí)際工程中如何量化評(píng)估支點(diǎn)剛度和整機(jī)變形進(jìn)行了探索。針對(duì)軸承支承剛度設(shè)計(jì)、高低壓轉(zhuǎn)子軸間間隙分析、轉(zhuǎn)靜子軸向間隙分析，給出了具體應(yīng)用示例，可供相關(guān)專(zhuān)業(yè)參考借鑒。后續(xù)將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)支點(diǎn)剛度試驗(yàn)進(jìn)行重點(diǎn)研究，對(duì)本文提出的分析方法進(jìn)行驗(yàn)證。