發(fā)動機風扇軸試驗器關鍵結(jié)構有限元分析

夏毅銳 戴京濤 孫海霞

（海軍航空大學，青島 266041）

目前，我國發(fā)動機研發(fā)事業(yè)已經(jīng)得到快速發(fā)展，為了進一步開展發(fā)動機研發(fā)工作，人們需要在發(fā)動機研發(fā)中進行風扇軸靜力試驗。通常情況下，發(fā)動機風扇軸試驗器能夠滿足風扇軸承受多種荷載作用，這些作用包括彎矩荷載、扭矩荷載等。在進行發(fā)動機風扇軸試驗器設計中，試驗人員需要注意兩方面問題，一方面風扇軸試驗件剛度要滿足試驗要求，另一方面試驗器關鍵部位的強度要滿足試驗要求，這樣才能體現(xiàn)風扇軸試驗的真實情況。為了確保風扇試驗器設計滿足要求，本文對軸承座剛度設計要求進行分析，設計一個含外齒結(jié)構的套齒卡鍵，建立了發(fā)動機風扇軸試驗器關鍵結(jié)構計算模型。

1 發(fā)動機風扇軸試驗器關鍵結(jié)構計算模型

1.1 軸承座設計

通常，為了體現(xiàn)風扇軸試驗器的真實情況，在發(fā)動機風扇軸試驗中，風扇軸試驗件支持的剛度有一定要求。本次研究的試驗件支持為軸承座，軸承座上半部對試驗件進行軸向和徑向約束，主要用來模擬試驗器深溝球軸承對發(fā)動機風扇軸的約束效果；軸承座下半部對試驗件進行徑向約束，主要用來模擬試驗器軸承對發(fā)動機風扇軸約束的效果。軸承座的剛度具體設計要求為：上軸承座徑向剛度為6000N/mm，下軸承座徑向剛度為25000N/mm。此次軸承座有限元模型是由板殼元所建立的，下軸承座的上部加以約束，主要用來模擬軸承座與試驗件固定座的連接效果。

1.2 套齒嚙合設計

一般情況下，發(fā)動機風扇軸內(nèi)部都會有內(nèi)齒設計結(jié)構，以便使其扭矩荷載施加到試驗件上[1]。本次研究設計了一個擁有外齒結(jié)構的套齒卡鍵上半部與試驗器其他部位進行連接，此連接方式由于可不移動，可視為剛性連接，其連接作用為利用套齒卡鍵向試驗件傳遞扭矩荷載；對于套齒卡鍵下半部分來說，套齒卡鍵上的外齒結(jié)構與試驗件內(nèi)齒進行嚙合連接，使其通過套齒卡鍵將扭矩傳達到試驗件上。扭矩荷載通過套齒卡鍵與試驗件內(nèi)齒嚙合接觸的形式進行傳遞，在試驗過后，將套齒卡鍵與試驗件相嚙合接觸的一對齒進行分析研究，同時采用體元建立有限元模型，模擬其接觸嚙合關系。

2 發(fā)動機風扇軸試驗器關鍵結(jié)構有限元分析

2.1 軸承座剛度分析

現(xiàn)階段，我國對于發(fā)動機的研發(fā)已經(jīng)獲得了顯著成果，低能耗、高效率、低噪音、高輸出的發(fā)動機能夠滿足大多數(shù)用戶的需求[2]。然而，發(fā)動機質(zhì)量仍有許多問題，軸承座剛度是影響發(fā)動機質(zhì)量的重要因素。軸承座剛度隨著重量減輕而逐漸減小，同時隨著發(fā)動機燃燒方式的改變，其需要承受更高的功率，這導致軸承在極度苛刻的操作條件下工作。為了使其設計更加可靠、穩(wěn)定，對軸承座剛度進行分析是十分必要的。為了驗證軸承座剛度是否滿足其設計需求，本次研究對下軸承座上半部進行加固約束，同時對于上軸承座與下軸承座的連接處運用MPC模擬螺栓進行連接，在試驗過程中對下軸承座下半部施加25000N荷載，在施加端最大位移為0.814mm，下軸承座剛度數(shù)值為30713N/mm，而下軸承座徑向剛度設計數(shù)值為25000N/mm，減去20%的設計余量，其試驗數(shù)值大于設計數(shù)值剛度，滿足軸承座剛度設計要求。對于上軸承座上半部來說，在上半部加以25000N荷載，施加部位最大位移為0.359mm，剛度為69638N/mm，上軸承座徑向剛度設計值為60000N/mm，減去20%的設計余量，其試驗數(shù)值大于設計數(shù)值，剛度滿足設計要求。

2.2 軸承座強度分析

發(fā)動機在運行過程中，軸承座將承受強烈的荷載作用，這些荷載作用包括螺栓預緊荷載、曲軸動荷載及熱負荷[3]。在進行軸承座強度分析時，通常情況下，軸承座對試驗件起到支持作用，其主要承受試驗彎矩和軸向荷載，軸向荷載主要由深溝球的軸承上半部承擔；在受到彎矩作用時，試驗件會產(chǎn)生形變，同時上半部以及下半部軸承座承受著來自相反方向的作用力，此時試驗件中形成力偶。在對軸承座施加彎矩作用以及軸向荷載時，軸承座所受最大應力值為661MPa，處在下軸承座開孔上半部，接近上軸承座和下軸承座連接處的開孔所受應力也較大；軸承座應力值在比較平均處的最大值為550MPa，處于上軸承座下半部的開孔附近。而軸承座材料的強度極限為1175MPa，高于其上軸承座以及下軸承座的強度，根據(jù)所得數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析可知，軸承座的強度滿足相關要求。

2.3 套齒嚙合接觸力分析

扭矩荷載的傳遞是通過套齒嚙合接觸方式進行，本次研究試驗共有44對齒，應力值較大[4-5]。本次研究考慮其具體受力情況，只取一對套齒進行研究分析。假設每對齒的接觸嚴密程度相同，同時所承受的扭矩作用也完全相同，其受力呈現(xiàn)均勻分布，其產(chǎn)生的彎矩與扭矩相同。另外，采取ABAQUS有限元軟件的主從接觸算法進行線性分析，其套齒接觸所受最大應力為312.1MPa，應力平均處為200MPa；試驗件接觸面的最大應力為605.1MPa，應力均勻處為350MPa。而所采用的套齒卡鍵材料為35CrMnSiA，此材料極限為1600MPa，屈服強度為1654MPa，經(jīng)過分析得出結(jié)論，套齒卡鍵與試驗件的強度滿足要求。

3 結(jié)語

發(fā)動機風扇軸在運行過程中承受多種荷載的作用，發(fā)動機風扇軸試驗器是進行風扇軸試驗的專用設備，試驗器的剛度強度很大程度影響試驗結(jié)果的準確性、真實性。因此，本文對試驗器軸承座的剛度和強度進行詳細分析，同時對套齒嚙合接觸應力進行分析。結(jié)果表明，軸承座剛度與強度滿足設計要求，同時套齒卡鍵以及試驗件關鍵部位的強度滿足設計要求。本次研究結(jié)果可以為我國發(fā)動機研發(fā)事業(yè)提供有效的數(shù)據(jù)支持。

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