航空發(fā)動機外涵機匣輕量化設(shè)計研究

宋德福，趙 丹

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都 610500)

1 引言

航空發(fā)動機推重比是評價一款發(fā)動機優(yōu)劣的重要指標[1-2]，通過輕量化設(shè)計對提高發(fā)動機推重比有重要意義。與第三代機發(fā)動機相比，第四代發(fā)動機(F119、EJ200)通過先進材料工藝應(yīng)用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重、零件功能集成等措施，使得其零組件數(shù)量減少40%～60%，零件壽命增加了150%，推重比增大了20%，大大增強了戰(zhàn)斗機的機動性[3-6]。

外涵機匣是連接發(fā)動機中介機匣、加力混合段機匣及安裝外部非傳動附件的承力構(gòu)件，并與壓氣機機匣、主燃燒室機匣、渦輪機匣共同形成外涵氣流通道，是發(fā)動機的重要組成零件之一[7]。外涵機匣殼體上布置有加強筋，合理布局加強筋，對機匣殼體的強度、剛度和穩(wěn)定性將產(chǎn)生重要的影響。揚帆等[8]通過有限元軟件對壓氣機機匣結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計，在不影響機匣使用要求的前提下，將壓氣機機匣減重10%～20%。楊竣博等[9]通過對加強筋結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，在最大限度地發(fā)揮加強筋承載能力的同時，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)減重。艾延延等[10]通過對安裝邊連接結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使得安裝邊質(zhì)量降低了16.6%。

按照常規(guī)流程設(shè)計的外涵機匣，設(shè)計質(zhì)量較大，可能會不滿足發(fā)動機總體分配的質(zhì)量指標，同時無法對不同方案的結(jié)構(gòu)進行定量對比分析。為此，需要開展外涵機匣輕量化設(shè)計研究，并引入結(jié)構(gòu)效率對輕量化設(shè)計結(jié)果進行定量分析評估。本文首先通過對現(xiàn)有外涵機匣進行質(zhì)量權(quán)重分析，明確設(shè)計方向；然后建立外涵機匣輕量化設(shè)計流程，應(yīng)用有限元分析軟件分析外涵機匣殼體和環(huán)(縱)向安裝邊各結(jié)構(gòu)參數(shù)對強度、質(zhì)量的影響，得到影響外涵機匣質(zhì)量的關(guān)鍵因素，并對關(guān)鍵因素進行多目標優(yōu)化；最后對改進后外涵機匣結(jié)構(gòu)效率進行評價分析。

2 外涵機匣結(jié)構(gòu)特點

外涵機匣一般由安裝邊、機匣殼體、安裝座等零組件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 外涵機匣示意圖Fig.1 Structure of bypass duct

圖2 示出了外涵機匣各結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比?？梢?，外涵機匣殼體和環(huán)(縱)向安裝邊質(zhì)量占比大，兩者合計高達75%。為此，外涵機匣的輕量化設(shè)計從外涵機匣殼體、環(huán)(縱)向安裝邊兩方面開展。

3 優(yōu)化設(shè)計理論

優(yōu)化設(shè)計的基本原理是通過構(gòu)建優(yōu)化模型，運用面相應(yīng)優(yōu)化方法，通過在滿足設(shè)計要求的條件下迭代計算，求得目標函數(shù)的理論極值，得到最優(yōu)化設(shè)計方案。優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型可表示為：

外涵機匣輕量化設(shè)計就是在滿足結(jié)構(gòu)強度的約束條件(外涵機匣變形量均不超過試驗允許值，應(yīng)力值不超過材料的屈服極限)下，盡可能減輕外涵機匣質(zhì)量。輕量化優(yōu)化流程如圖3 所示。

圖3 外涵機匣輕量化設(shè)計流程圖Fig.3 Light-weight design flow diagram of bypass duct

4 外涵機匣殼體設(shè)計

帶米字型加強筋的外涵機匣在F119、F135 等發(fā)動機上廣泛應(yīng)用。帶米字型加強筋的外涵機匣殼體的結(jié)構(gòu)如圖4 所示，其特征參數(shù)有：加強筋與殼體之間的過渡圓角半徑Ra，加強筋與加強筋之間的過渡圓角半徑Rb，加強筋寬度S，加強筋高度h，加強筋旋轉(zhuǎn)角度α，機匣殼體厚度t。

圖4 帶米字型加強筋的外涵機匣殼體示意圖Fig.4 Structural parameters of bypass duct casing

4.1 外涵機匣模型

以外涵機匣殼體為研究對象，將外涵機匣結(jié)構(gòu)進行簡化，簡化后的機匣殼體為軸對稱零件，機匣殼體上分布有24 條縱向和12 條左/右旋加強筋。為減少運算時間，選取1/12 作為周期循環(huán)對稱分析機匣強度、質(zhì)量。應(yīng)用ASNYS WORKBENCH中的Design Modeler 工具進行參數(shù)化建模，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分工具進行網(wǎng)格劃分，使用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。建模結(jié)果如圖5 所示。賦予模型材料屬性，具體數(shù)值見表1。計算時，采用插值法計算給定溫度的材料性能。

表1 TA15 材料數(shù)據(jù)Table 1 Material data of TA15

圖5 簡化后機匣殼體模型Fig.5 Simplified parametric model

4.2 施加載荷及約束

機匣前安裝邊靠近發(fā)動機主安裝節(jié)，該面施加軸向約束和周向位移約束。機匣后安裝邊遠離發(fā)動機主安裝節(jié)，該面施加軸向力。機匣內(nèi)表面同時施加壓力載荷和溫度載荷。

4.3 機匣殼體優(yōu)化分析

對設(shè)計參數(shù)點機匣殼體進行強度分析，應(yīng)力結(jié)果如圖6 所示，最大應(yīng)力為561.1 MPa。機匣殼體特征參數(shù)取值范圍如表2 所示，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗及承制廠加工能力確定。

表2 機匣殼體特征參數(shù)Table 2 Structural parameters of casing

圖6 機匣殼體應(yīng)力分布圖Fig.6 Stress distribution of casing

各特征參數(shù)設(shè)置為連續(xù)變量，以最大等效應(yīng)力和質(zhì)量為目標函數(shù)。通過響應(yīng)面分析法得到各參數(shù)對目標函數(shù)的靈敏度分析結(jié)果，如圖7、圖8 所示。從圖可知：殼體厚度對機匣殼體質(zhì)量最為敏感，殼體厚度、加強筋寬度及加強筋旋轉(zhuǎn)角對殼體應(yīng)力水平敏感度相當。

圖7 質(zhì)量靈敏度分析Fig.7 Weight sensitivity

圖8 應(yīng)力靈敏度分析Fig.8 Stress sensitivity

通過響應(yīng)面方程進行目標驅(qū)動優(yōu)化設(shè)計，求解得到3 個推薦設(shè)計點，見表3。由于機匣殼體的優(yōu)化更著重減重，同時考慮到強度，故根據(jù)表3 選擇候選點1 作為最優(yōu)點。與優(yōu)化前數(shù)據(jù)相比，優(yōu)化后質(zhì)量減少了1.24 kg，最大應(yīng)力減少了39.9 MPa。

表3 優(yōu)化設(shè)計點Table 3 Optimal design points

5 安裝邊設(shè)計

機匣安裝邊銑花邊是其輕量化設(shè)計的重要途徑之一。安裝邊弧銑花邊的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)有螺栓孔直徑ΦH、螺栓孔最小壁厚Wmin(一般取0.45～0.60 倍螺栓孔直徑)、螺栓孔分度圓直徑ΦT、銑刀半徑RN和花邊夾角β，如圖9 所示。

圖9 安裝邊銑花邊示意圖Fig.9 Structural picture of mounting edge

5.1 安裝邊模型

以外涵機匣安裝邊為研究對象，對外涵機匣進行結(jié)構(gòu)簡化，簡化后的安裝邊為軸對稱零件。由于安裝邊上有72 個螺栓孔，為減少運算時間，選取1/72 作為周期循環(huán)對稱分析安裝邊強度、質(zhì)量。應(yīng)用ASNYS WORKBENCH 中 的Design Modeler 進行參數(shù)化建模，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分工具進行網(wǎng)格劃分，使用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖10 所示。模型材料屬性見表1。

圖10 安裝邊模型Fig.10 Model of mounting edge

5.2 施加載荷及約束

A面屬于外涵機匣體內(nèi)表面，分析時對其施加壓力和溫度載荷，同時施加軸向約束和周向約束。B面施加軸向力。

5.3 安裝邊銑花邊優(yōu)化

對未銑花邊的安裝邊進行強度分析，其應(yīng)力分布如圖11 所示，最大應(yīng)力為396.26 MPa。

圖11 安裝邊應(yīng)力分布Fig.11 Stress distribution of mounting edge

表4 為安裝邊特征參數(shù)取值的設(shè)置，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗確定。由于采用了全參數(shù)化建模，故只需對參數(shù)給予設(shè)定變化范圍，數(shù)據(jù)按均勻分布的方式抽樣，最終通過蒙特卡洛的方法，構(gòu)建響應(yīng)面方程。

表4 安裝邊特征參數(shù)Table 4 Structural parameters of mounting edge

在給定載荷下通過響應(yīng)面分析得到各參數(shù)對輸出結(jié)果的靈敏度分析結(jié)果，如圖12、圖13 所示。從圖可知，扇形根部直徑對銑花邊安裝邊的質(zhì)量和應(yīng)力水平最為敏感。通過響應(yīng)面方程進行目標驅(qū)動優(yōu)化設(shè)計，求解得到3 個推薦設(shè)計點，見表5。由于安裝邊銑花邊更著重減重，同時考慮強度，故根據(jù)表5 選擇候選點1 作為最優(yōu)點。與優(yōu)化前(未銑花邊)相比，優(yōu)化后質(zhì)量減少了0.55 kg，最大應(yīng)力減少了79.2 MPa。

表5 優(yōu)化設(shè)計點Table 5 Optimal design points

圖12 各參數(shù)質(zhì)量靈敏度分析Fig.12 Weight sensitivity of each parameters

圖13 各參數(shù)應(yīng)力靈敏度分析Fig.13 Stress sensitivity of each parameters

6 結(jié)構(gòu)效率評價

對外涵機匣進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度分析，改進前后的質(zhì)量、最大應(yīng)力、位移對比如表6 所示。

表6 結(jié)構(gòu)對比Table 6 Structural comparison

結(jié)構(gòu)效率是指具有給定質(zhì)量的發(fā)動機結(jié)構(gòu)對靜載荷、振動載荷的敏感性的量化描述。歸一化后的結(jié)構(gòu)效率在0 至1 之間，結(jié)構(gòu)效率越高，發(fā)動機或結(jié)構(gòu)力學(xué)性能越優(yōu)異。應(yīng)用結(jié)構(gòu)效率可以對不同發(fā)動機或結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行定量評估，進而選擇出最優(yōu)方案[11]。結(jié)構(gòu)效率定義為：

式中：ES為質(zhì)量有效承載項，Mp為模態(tài)參與項，DC為變形量協(xié)調(diào)項。

結(jié)構(gòu)效率改進的百分數(shù)為：

(1) 質(zhì)量有效承載項

輕量化設(shè)計后，外涵機匣質(zhì)量在原50.71 kg 的基礎(chǔ)上減少2.08 kg，則歸一化得到結(jié)構(gòu)效率中質(zhì)量有效承載項為：

(2) 模態(tài)參與項

經(jīng)過輕量化設(shè)計，外涵機匣最大應(yīng)力在原423 MPa 的基礎(chǔ)上變?yōu)?89 MPa，第1 階模態(tài)在原654 Hz 的基礎(chǔ)上變?yōu)?72 Hz。假設(shè)基準結(jié)構(gòu)中的第1階模態(tài)和最大應(yīng)力分別為x和m，則原結(jié)構(gòu)基準值為：

輕量化設(shè)計后值為：

歸一化得到結(jié)構(gòu)效率中模態(tài)參與項為：

(3) 變形量協(xié)調(diào)項

輕量化設(shè)計后，外涵機匣軸向位移在原1.31的基礎(chǔ)減少至1.25，則歸一化得到變形量協(xié)調(diào)項為：

將公式(5)、(8)、(9)帶入公式(3)和公式(4)，得到結(jié)構(gòu)效率改進的百分數(shù)為17.9%。

7 結(jié)論

通過對外涵機匣結(jié)構(gòu)分析及輕量化設(shè)計研究，得到如下結(jié)論：

(1) 機匣殼體厚度、加強筋寬度及加強筋旋轉(zhuǎn)角是影響機匣殼體質(zhì)量/應(yīng)力的關(guān)鍵因素，通過合理優(yōu)化可改善應(yīng)力水平分布及減輕質(zhì)量；

(2) 扇形根部直徑是影響銑花邊安裝邊質(zhì)量/應(yīng)力的關(guān)鍵因素，通過合理優(yōu)化可改善應(yīng)力水平分布及減輕質(zhì)量；

(3) 對關(guān)鍵因素開展多目標優(yōu)化，外涵機匣結(jié)構(gòu)效率提升了17.9%，達到輕量化設(shè)計目標，也為薄壁機匣類零件輕量化設(shè)計提供了參考。