大涵道比渦扇航空發動機支點剛度敏感性分析

王開明　廖連芳　王衛國

摘 要：利用整機有限元模型，對大涵道比渦扇航空發動機支點剛度進行了敏感性分析，量化給出了傳力路徑上各環節對支點剛度的影響程度，通過對比分析，總結出發動機各支點剛度敏感的相關結構，為結構設計及支點剛度優化提供重要支撐。

關鍵詞：整機有限元模型；支點剛度；敏感性

引言

航空發動機結構設計過程中不僅要滿足強度壽命要求，同時也要關注對結構剛度與變形的控制。剛度與動力特性緊密相關，剛度也對變形起到重要影響。發動機轉子通過軸承和支點與發動機機匣連接，支點剛度對轉子動力學特性起到關鍵作用。支點剛度主要取決于發動機靜子結構件特性，各機匣對支點剛度均有不同程度的影響。為了優化支點剛度，滿足轉子動力學特性要求，研究各支點剛度對各機匣剛度的敏感性，能夠幫助設計人員找到關鍵部位，縮小優化范圍，提高工作效率。關于支點剛度對各機匣剛度敏感性的研究目前未見發表，北航洪杰等對發動機承力系統抗變形能力評估方法進行了探索，主要從支承結構安全性設計角度提出了相關評價參數，研究內容與本文具有一定關聯，但沒有涉及敏感性評估。

1支點剛度定義

在發動機安裝狀態下，各支點對轉子均起到支承作用，轉子在支點作用的力與支點在該力方向上的位移之比為支點剛度。對應在設計過程中，可利用整機有限元模型，在各軸承座位置施加集中力，力與該位置位移的比值即為支點剛度。支點剛度反映發動機傳力路徑的剛性，組成發動機傳力路徑的每個靜子件均會對支點剛度產生影響。圖1為典型大涵道比渦扇發動機傳力路徑示意。

2支點剛度計算方法

2.1計算模型

整機支點剛度計算基于整機有限元模型進行，模型包括靜子機匣和各支點軸承座?？紤]到安裝系統對整機剛度的弱化作用，可分別計算加入安裝系統和去掉安裝系統的有限元模型支點剛度。本文以如圖2所示大涵道比渦扇發動機計算模型作為示例，包括發動機及安裝系統。有限元模型在條件具備時還應包括短艙和吊架。

2.2約束方式

計算帶有安裝系統模型的整機剛度時，對前后安裝節平臺進行固支約束；計算不帶安裝系統模型的整機剛度時，在安裝系統與機匣連接位置進行相應約束，用以等效安裝系統對發動機的約束。兩種模型具體約束方式如表1所示。需要指出的是，根據不同項目型號的結構特點，可對約束方式進行調整。本文采用帶安裝系統的模型進行計算，即模型1的約束方式。

2.3載荷施加方式

整機剛度計算時在對應支點的軸承座內圈加載載荷，如圖3所示（2#支點剛度計算）。加載方式可根據實際需要選擇集中力加載或分布力加載。集中力加載方式可計算整機支承的軸向、側向和垂向剛度，分布力加載方式適用于計算側向和垂向剛度。本文采用集中加載方式，集中力加載如圖3所示，計算時在加載位置中心建立主節點，與對應加載位置的節點組建立RBE3連接，在主節點施加集中力，提取主節點位移進行剛度計算。

3支點剛度敏感性計算

在傳力路徑上各機匣對支點剛度均有不同程度影響，若支點剛度不滿足設計要求，在實際工程中需要對傳力路徑上的某一環節進行結構修改，因此迫切需要快速找出關鍵影響環節進行優化。按照常規方法，應將整機模型中各機匣結構修改后的模型進行替換，再計算各支點剛度。由于修改機匣結構具有較多方案選擇，對應有限元模型的修改及匹配也需要大量時間，該做法效率較低。

本文采用修改楊氏模量來等效結構的修改，因為對支點剛度影響較大的是結構的剛度，而結構的剛性是其材料和幾何形式共同作用的體現。當發動機流道確定后，靜子件結構形式及主要尺寸基本確定，如長度、直徑等，后續的強度剛度優化均為小幅調整壁厚，在該條件下，改變楊氏模量和改變結構對剛度的影響趨勢可以認為是一致的。

在計算時，采用逐個單獨調整某機匣材料楊氏模量，將其增加5%，其它機匣及零件材料屬性保持不變，利用整機有限元模型分別計算各支點剛度，并且與初始模型（材料調整前）計算出的剛度進行比較，從而得到各機匣/支承結果剛度變化對各支點剛度變化的貢獻量。材料參數的修改很容易在ANSYS軟件APDL語言中實現，不同機匣材料參數的修改及計算均編制APDL程序一次算完，大幅度降低手動操作，節省時間。調整各機匣楊氏模量對支點剛度的影響程度如圖4、圖5所示。

4結果分析

從計算結果可以看出，對不同支點剛度，最敏感環節存在較大區別，各支點剛度敏感性分析結果如下：

（1）1、2支點剛度對中介機匣支板及內環剛度、1支點和2支點錐壁剛度變化較為敏感，中介機匣外環對1、2支點剛度也具有一定影響，但相比前三者較弱。壓氣機、燃燒室機匣對1支點剛度也具有一定影響，主要原因是在安裝狀態下，1支點與前安裝節存在一定軸向距離，在力矩作用下，1支點與中介機匣繞前安裝節位置偏轉，壓氣機機匣和燃燒室機匣通過后安裝節對中介機匣形成約束。由此可見，1、2支點剛度與其錐壁彎曲剛度相關，也與中介機匣自身剛度及在整機環境下的偏轉相關，即與壓氣機和燃燒室機匣的彎曲剛度相關。

（2）3支點剛度主要取決于中介機匣剛度，中介機匣的支板及內環是主要影響結構，外環影響相對較弱，說明對于3支點，主承力框架剛度是主要影響環節，因為3支點軸向位置和前安裝節位置基本重合，徑向傳力路徑直接從支點垂直至前安裝節。

（3）4支點剛度主要取決于級間機匣剛度，級間機匣的外環和支板影響都很明顯，與級間機匣相鄰的燃燒室機匣和低壓渦輪機匣對4#支點剛度也具有一定影響。因為4支點徑向傳力路徑首先通過級間機匣結構，再通過燃燒室機匣和低壓渦輪機匣傳遞至前后安裝節。因此4支點剛度與級間機匣剛度相關，同時與燃燒室機匣和低壓渦輪機匣彎曲剛度相關。

（4）5支點剛度主要取決于渦輪后機匣剛度，后機匣外環影響最大，其次為支板、內機匣及錐壁。低壓渦輪機匣、級間機匣外環、燃燒室機匣及壓氣機機匣對5支點剛度也具有一定影響。主要原因是在安裝狀態下，5支點與后機匣繞后安裝節位置偏轉，低壓渦輪機匣、級間機匣外環、高壓渦輪機匣、燃燒室機匣及壓氣機機匣通過前安裝節對渦輪后機匣形成約束，與1支點類似。由此可見，5支點剛度與其錐壁彎曲剛度相關，也與渦輪后機匣自身剛度及其在整機環境下的偏轉相關，即與低壓渦輪機匣、級間機匣外環、高壓渦輪機匣、燃燒室機匣和壓氣機機匣的彎曲剛度相關。

5結語

利用整機有限元模型，對大涵道比渦扇航空發動機支點剛度進行了敏感性分析，針對大涵道比渦扇發動機構型，量化給出了傳力路徑上各環節對支點剛度的影響程度，并總結出發動機各支點剛度影響規律和相關結構，為結構設計及支點剛度優化提供重要支撐。

6展望

在本文的基礎上，后續可進一步研究綜合考慮各機匣強度、壽命、重量及剛度，采用優化算法，給出滿足各項要求的優化結構方案，并形成實用的工程設計方法。

參考文獻：

[1] 徐峰，馬艷紅，張力，等.航空發動機承力系統抗變形能力評估.航空動力學報，2016-7-20.