基于思維導(dǎo)圖方法的復(fù)合材料中介機匣設(shè)計

楊 帆，方 浩，趙普揚

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

中介機匣是渦扇發(fā)動機中連接風扇和高壓壓氣機的重要過渡通道和主要承力部件[1-2]。某型發(fā)動機中介機匣當前的全鈦合金結(jié)構(gòu)質(zhì)量嚴重超出了總體專業(yè)給定的質(zhì)量指標，國外在中介機匣上較常見的減質(zhì)設(shè)計方法是采用薄壁件焊接結(jié)構(gòu)，但由于該型發(fā)動機與飛機的連接形式與國外并不一致，其主安裝節(jié)機構(gòu)設(shè)置在中介機匣上，因此從結(jié)構(gòu)強度角度考慮該中介機匣并不適用焊接結(jié)構(gòu)。另一類中介機匣減質(zhì)設(shè)計方法是采用復(fù)合材料和鈦合金復(fù)合結(jié)構(gòu)，這種方法目前國內(nèi)外研究資料并不常見，主要難點1是如何將復(fù)合材料和金屬材料適當搭配，即達到減質(zhì)目標，又能滿足中介機匣強度要求；難點2是在當前中國航空發(fā)動機領(lǐng)域復(fù)合材料的性能參數(shù)和工藝水平較低的情況下，如何最大限度規(guī)避復(fù)合材料的缺點。本文采取思維導(dǎo)圖的設(shè)計方法，構(gòu)建了復(fù)合材料中介機匣結(jié)構(gòu)設(shè)計的圖形化脈絡(luò)，隨之確立了改進結(jié)構(gòu)的設(shè)計準則，進而完成復(fù)合材料中介機匣結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 構(gòu)建思維導(dǎo)圖

思維導(dǎo)圖是英國著名心理學(xué)家托尼·巴贊（Tony Buzan）在研究大腦的力量和潛能過程中，于20世紀60年代初期所創(chuàng)，是1種將放射性思維具體化的方法。構(gòu)建思維導(dǎo)圖應(yīng)有1個中心概念，并由此中心概念向外引申出2～8個與其相關(guān)的知識要點，即形成一個個分枝，在每一分枝上都賦以不同概念的關(guān)鍵詞，再由每一分枝的要點向外散出2～8個相關(guān)的知識要點，以此類推，形成1個樹狀的結(jié)構(gòu)圖，結(jié)構(gòu)圖可以用不同色彩和圖像來表示。思維導(dǎo)圖作為1種圖文并茂的有效工具，開啟了人類大腦的無限潛能[3-4]。

Mindmanager是Mindjet公司開發(fā)的1款實現(xiàn)思維導(dǎo)圖的可視化軟件工具，提供給用戶更有效和電子化的手段來捕捉、組織信息和想法[3]。將“復(fù)合材料中介機匣結(jié)構(gòu)設(shè)計”作為1個系統(tǒng)問題，在深刻理解原有全鈦合金機匣結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上[5-7]，利用Mindmanager軟件展示該問題的層次關(guān)系，如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料中介機匣結(jié)構(gòu)設(shè)計思維導(dǎo)圖

將思維導(dǎo)圖中“復(fù)合材料中介機匣結(jié)構(gòu)設(shè)計”作為中心主題，可分解出3項次主題:復(fù)合材料、中介機匣和結(jié)構(gòu)設(shè)計。對這3項次主題進一步分解和發(fā)散，形成許多更低層次的分枝內(nèi)容，并標示出各分枝間的相互關(guān)系，便于分析和總結(jié)，形成在現(xiàn)有材料和工藝條件下，具有工程實際的、可行的復(fù)合材料中介機匣結(jié)構(gòu)設(shè)計準則。

2 設(shè)計準則

依照如圖1所示的思維導(dǎo)圖的分析，在中介機匣分枝中最重要的功能是主承力框架，表明中介機匣主要承受發(fā)動機工作時的氣動載荷和飛機機動飛行時的機動載荷，依據(jù)飛機和發(fā)動機的多種不同工況進行排列組合。作用在中介機匣上的這2類載荷狀態(tài)合計有20多種，屬于典型的多軸載荷[1,8]，使仿真計算變得十分困難。另外，吸取之前復(fù)合材料機匣設(shè)計、加工和使用的經(jīng)驗教訓(xùn)，就中國目前復(fù)合材料的現(xiàn)狀來說，復(fù)合材料還不能擔任主要的承載角色，特別是在中介機匣這種多軸載荷復(fù)雜且交變的部件上，因此，得到的設(shè)計準則之一就是復(fù)合材料不能設(shè)置在中介機匣的主要傳力路徑上，即不能作為主承力結(jié)構(gòu)。具體來說，復(fù)合材料要避免在中介機匣與風扇以及高壓壓氣機的連接部位、各傳力支板、中介機匣與中央傳動組件以及外部附件等連接部位、中介機匣主安裝節(jié)、中介機匣輔助吊點等部位上使用。

另外，通過思維導(dǎo)圖分析，在“結(jié)構(gòu)設(shè)計”分枝中需要保證中介機匣的靜強度和疲勞壽命，因此，得到第2條設(shè)計準則就是復(fù)合材料可以用于中介機匣應(yīng)力水平較低的部位即次承力結(jié)構(gòu)上。因此，需要按照原有全鈦合金機匣的靜強度應(yīng)力（如圖2所示），查找出應(yīng)力水平較低的部位，合理利用結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)復(fù)合材料替換使用并保證其可靠使用的目的。

圖2 鈦合金中介機匣靜強度應(yīng)力

3 具體實施

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

因加工方法的差異，傳統(tǒng)的中介機匣結(jié)構(gòu)形式可分為3種:整體精密鑄造、焊接結(jié)構(gòu)、焊接與裝配相結(jié)合。3種形式的中介機匣各有其優(yōu)缺點[9-11]，但顯然與復(fù)合材料的材料特性都不能很好匹配，因此，需要設(shè)計1種既要適應(yīng)復(fù)合材料特性，也能夠遵循上述2條結(jié)構(gòu)設(shè)計準則的中介機匣結(jié)構(gòu)。依據(jù)中介機匣和復(fù)合材料加工制造的工藝特點[12]，以及目前中國復(fù)合材料發(fā)展的現(xiàn)狀，最終選擇了裝配式結(jié)構(gòu)。在中介機匣的低應(yīng)力區(qū)域，且非傳力路徑上裝配復(fù)合材料，主傳力路徑上依舊采用金屬材料，復(fù)合材料與金屬基體間采用螺栓連接等結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 復(fù)合材料中介機匣結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖中所示的外機匣1、支板型芯3和內(nèi)機匣7均處在中介機匣的主傳力路徑上，根據(jù)設(shè)計準則第1條，都應(yīng)使用鈦合金材料。且支板型芯3的上、下兩端均設(shè)計有連接螺栓孔，與外機匣1及內(nèi)機匣7分別連接，形成完整的主傳力路徑。考慮到之前復(fù)合材料機匣的失敗經(jīng)驗和中介機匣分流環(huán)的結(jié)構(gòu)特點[13]，每2塊支板之間的分流環(huán)采用鈦合金分流環(huán)支架5與復(fù)合材料分流環(huán)6的裝配式結(jié)構(gòu)，分流環(huán)支架的左、右兩端設(shè)計有安裝邊，與相鄰支板型芯上的螺栓孔配合，連接成一體，后端則與高壓壓氣機連接。這樣既能減輕質(zhì)量，又能保證分流環(huán)安全可靠。其余中介機匣上應(yīng)力水平較低的部位，例如圖中的外機匣蒙皮2、支板蒙皮4和內(nèi)機匣蒙皮8等，適用設(shè)計準則第2條，采用復(fù)合材料。這種裝配式結(jié)構(gòu)既保證了不破壞中介機匣主傳力路徑，也保證了中介機匣與風扇、壓氣機、中央傳動及軸承組件的可靠連接，合理使用復(fù)合材料減輕部件質(zhì)量，據(jù)估算可以減輕約8%，最終實現(xiàn)總體專業(yè)給定的質(zhì)量指標。

3.2 強度計算

對整體鑄造金屬中介機匣和復(fù)合材料中介機匣進行簡單的強度對比計算，復(fù)合材料中介機匣最大等效應(yīng)力比金屬中介機匣的升高了1.7%，復(fù)合材料中介機匣最大變形量比金屬中介機匣的增加了2.2%，因此，可以認為復(fù)合材料中介機匣的剛度稍弱于金屬中介機匣的。

另外，還對比計算了2種中介機匣的固有模態(tài)頻率，結(jié)果如圖4所示。從圖中可見，2種中介機匣的固有模態(tài)變化不大。

當然上述計算均建立在簡化復(fù)合材料性能的基礎(chǔ)上，因此存在一定的計算誤差，但依據(jù)計算結(jié)果和趨勢分析可見，這種由思維導(dǎo)圖發(fā)散而來的復(fù)合材料中介機匣結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是切實可行的，且具有一定的工程可實現(xiàn)性。

圖4 金屬中介機匣和復(fù)合材料中介機匣模態(tài)對比

4 技術(shù)展望

上文所述的裝配式結(jié)構(gòu)是吸取了之前復(fù)合材料機匣的失敗經(jīng)驗，并考慮了目前中國復(fù)合材料發(fā)展水平的1種“折中”設(shè)計手段。既有限度的使用了復(fù)合材料以滿足減質(zhì)要求，又保證了中介機匣的安全可靠。不過從實際工程應(yīng)用來看，由于主要流道件均采用復(fù)合材料，短時間使用沒有問題，在長期使用過程中還需重點關(guān)注和考察復(fù)合材料的耐沖刷等材料性能。

隨著中國復(fù)合材料研制的深入，復(fù)合材料的技術(shù)成熟度已有較大提升，后續(xù)可以利用拓撲優(yōu)化的方法，依據(jù)中介機匣強度仿真計算結(jié)果，并參照F119發(fā)動機的結(jié)構(gòu)[14-15]，將主要承力部件逐步用復(fù)合材料替代，進一步增加復(fù)合材料的使用比例，并可以利用較成熟的增材制造方法，實現(xiàn)中介機匣復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而大幅度降低中介機匣的質(zhì)量，提升整機推重比。這一發(fā)展思路也符合國際復(fù)合材料在飛機和發(fā)動機領(lǐng)域由次承力結(jié)構(gòu)向主承力結(jié)構(gòu)遞進的應(yīng)用脈絡(luò)，如圖5所示。

圖5 波音和空客公司飛機使用復(fù)合材料比例

5 結(jié)束語

按照思維導(dǎo)圖的方法，分析了“復(fù)合材料中介機匣結(jié)構(gòu)設(shè)計”這一中心主題，逐級分解得到各級低層次分枝，并通過分析各層次分枝之間的相互關(guān)系，總結(jié)出2條現(xiàn)階段復(fù)合材料中介機匣結(jié)構(gòu)設(shè)計的設(shè)計準則。依據(jù)這2條設(shè)計準則完成了1種裝配式復(fù)合材料中介機匣結(jié)構(gòu)設(shè)計，達到了預(yù)期的減質(zhì)效果，實現(xiàn)了總體專業(yè)給定的質(zhì)量指標，并為后續(xù)復(fù)合材料中介機匣結(jié)構(gòu)設(shè)計的深入研究提供了1種設(shè)計思路。