發動機吊架結構等效建模及靜力學分析

查夢江++王巖

摘 要：本文針對某型號飛機發動機吊架裝置結構進行研究，通過建立吊架結構的簡單力學模型并對其進行有限元分析，根據實際受力情況，獲得其在不同工況下的應力及變形情況，對其應力進行了分析，驗證其設計結果的合理性，從而提高經濟性。

關鍵詞：發動機吊架；靜力學分析；ANSYS

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.002

1 引言

近年來，隨著科技的不斷進步，民航飛機有著向大型化、高性能化發展的趨勢，飛機承受的載荷越來越復雜，因此，對飛機結構提出了更高的要求。發動機吊架是聯接飛機與發動機的關鍵裝置，它在承受發動機重量的同時，還需傳遞發動機的推力以及各種工況下的復雜載荷，其結構的形式、重量、強度是影響飛機性能的重要因素。所以，合理設計發動機吊架結構并對其進行各種工況下的靜力學分析顯得尤為重要。

2 發動機吊架結構的等效建模

發動機吊架結構一般用鋁合金、鈦合金或鋼制成，其結構按連接方式的不同可分為：盒式梁式結構、阻力支柱式結構及超靜定式結構[1]。本文采用盒式梁式結構，這種結構的前接頭和后接頭之間力臂較大，吊架各接頭所受載荷顯著降低，節約了翼盒的重量，并可使下壁板局部區域的疲勞問題得到明顯改善。

為了使建立的吊架結構能夠反應實際情況并保證計算精度，確保單元質量，控制單元和節點數，減小計算量，所以有必要對模型進行適當的簡化。在建立吊架簡單力學模型的過程中，應遵守以下原則[2]：

（1）吊架力學模型應與實際形狀幾何結構相同，并忽略某些次要部位，如螺栓連接等形成的螺紋以通孔代替；（2）忽略吊架內部的電器部件，及相應的安裝孔。吊架內部安裝的電器部件不是吊架的承力結構，且其重量對吊架影響可忽略不計。（3）模型所受載荷、邊界約束條件應與吊架真實結構所受載荷及邊界約束條件相一致。

根據上述簡化原則，并對發動機吊架結構進行了相關測量，建立了發動機吊架結構的簡單力學模型，如圖1所示。

3 發動機吊架結構的靜力學分析

3.1 定義材料屬性和網格劃分

將建好的模型導入ANSYS軟件中的workbench，定義鋁合金作為吊架結構材料，其彈性模量為6.9GPa，泊松比為0.34，密度為2830。

劃分網格時，不僅需要選擇劃分網格的方法，還需要選擇劃分網格的形狀、類型，同時還要根據分析精度，設定不同的單元格密度。該模型采用的Element Sizing 是20mm。網格劃分后的有限元模型如圖2所示。

3.2 確定約束條件

在各種工況下，吊架與機翼的連接接頭不受彎矩，所以，前接頭提供垂直約束，即在前接頭螺栓孔圓柱面施加垂直方向的面約束，后接頭提供垂直和側向約束，剪切銷柱孔提供航向和側向約束。

3.3 載荷的施加并求解

發動機吊架裝置主要承受發動機的推力和發動機慣性力，在不同的飛行狀態下，吊架承受載荷的種類和大小也不同。如果將發動機吊架所受慣性載荷轉換到吊架前、后安裝架上下表面中心，則得到表1和表2所示載荷（力單位為KN，力矩單位為）。

根據表1和表2中所受載荷施加于前、后安裝架。施加載荷后，設定應力和變形位移為求解參數，求解，得到應力應變云圖和位移變化圖，如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

3.4 結果分析

（1）從圖3可知，在著陸工況下，發動機吊架變形主要在航向-垂向平面，整體變形很小。吊架整體盒段略有俯仰變形，導致發動機產生俯仰偏轉。最大變形處位于前安裝架前沿，最大位移為2.4564mm，小于最大允許位移10mm，安全可靠；（2）從圖4可知，在著陸工況下，吊架整體應力分布較均勻，前上梁和底梁部位應力較小，平均應力在50.74MPa左右，遠小于最大許用應力301.9MPa。最大應力出現在前、后接頭螺栓孔以及剪切銷柱孔部位，應力值為455.82MPa，但小于材料屈服極限785MPa，安全可靠；（3）從圖5可知，在側移工況下，發動機吊架整體變形不大，吊架結構有側向和滾轉變形，最大位移在前安裝架部位，總位移達到3.97mm，導致發動機產生側向偏轉，但影響不大，安全可靠；（4）從圖6可知，在側移工況下，吊架結構總體應力分布較均勻，前上梁、后上梁和底梁應力較小，平均應力值在58.41MPa左右，遠小于最大許用應力301.9MPa，前安裝架和底梁連接部位所受應力最大，為524.79MPa，但還是比材料屈服極限785MPa小很多，安全可靠。

3.5 總結

從上述分析結果可知，在著陸和側移兩種工況下，發動機吊架結構沒有產生嚴重的塑性變形，有足夠的強度承受載荷，從而驗證了吊架結構設計的合理性，提高了經濟性。

參考文獻：

[1]劉亞奇，胡錦旋，劉星北等.翼下發動機吊架及其與機翼連接結構研究[J].民用飛機設計與研究，2009（ 增刊） ：74-76.

[2]Sylvain Finette.Parametric finite element model of AIRBUS engine pylon with MSC.Patran. 3rd MSC. Software Worldwide Aerospace Conference and Technology Showcase，Paper—2001—104.