基于ANSYS的某渦軸發動機復雜外部管路振動分析

張海彪 鄒子劍 王立

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

航空發動機管路用于輸送滑油、燃油和空氣等，是發動機的“心血管”，其外部管路通常采用管接頭、卡箍進行連接和安裝，形成復雜的外部管路系統。

管接頭、卡箍的使用勢必對管路系統的振動特性產生影響，由于連接件尤其是卡箍的建模情況復雜，目前的航空發動機外部管路工程設計中，通常只考慮管路的動力特性而忽略連接件對系統振動特性的作用，其結果雖簡化了計算，但會產生較大誤差[1-2]。

本文基于有限元法，建立了常見管路、管接頭、卡箍的模型，在此基礎上，利用有限元軟件ANSYS對某渦軸發動機復雜外部管路進行了仿真分析，并通過與模態試驗結果對比，驗證了模型的準確性，可為航空發動機復雜外部管路設計提供參考。

1.有限元模型建立

1.1 管路模型建立

ANSYS中SOLID單元、SHELL單元和PIPE單元都適用于外部管路建模，通過對某管路分別采用三種單元建模計算，得到其各階模態對比如圖1所示，可見三種單元結果具有一致性，都能用于管路的仿真分析，本文選用其中建模單元數較少，計算時間較短的PIPE單元來建立管路模型。

圖1 三種單元各階模態計算結果

1.2 管接頭模型建立

對管接頭而言，其剛度大，可直接簡化為管路周圍一圈不同屬性的材料[3]，有限元模型采用SOLID185實體單元建立，如圖2所示。

圖2 管接頭建模

1.3 卡箍模型建立

對發動機外部管路卡箍而言，可分為剛性卡箍和彈性卡箍2種，如圖3所示，剛性卡箍將管路固定在剛性支架上實現剛性支撐，與管路可視為固接；彈性卡箍為彈性板料并內襯有聚四氟乙烯襯套，安裝在具有彈性的支架上，既能支撐固定管路，又起減振作用[4]。

圖3 常見卡箍形式

在研究振動問題時，將剛性卡箍按固定支撐處理，有限元中在相應位置施加位移全約束條件；對彈性卡箍，需同時考慮剛度和阻尼的作用，在ANSYS中可采用1維軸向彈簧單元COMBIN14來模擬其力學特性，如圖4所示，COMBIN14單元實質是彈簧-阻尼器，其由兩個節點，一個彈簧常數（k）和阻尼系數（cv）1和（cv）2組成，在管路的模態分析中，可按如下步驟完成卡箍的力學模擬[5]。

圖4 彈性卡箍實體和模型

（1）添加COMBIN14單元，并指定其為1維軸向彈簧—阻尼器（根據卡箍支承方向選擇自由度）；

（2）通過實常數給定軸向剛度即可，單位是“力/長度”；

（3）在已有有限元模型基礎上，使用COMBIN14單元連接卡箍所在位置的節點，為保證周向剛度均勻，一般一個卡箍可采用2個COMBIN14單元進行模擬。

2.某渦軸發動機復雜外部管路振動分析

2.1 管路實體模型

選取某渦軸發動機外部復雜管路如圖5所示，此管路由兩根導管通過管接頭連接而成，在1、2、3位置處布置彈性卡箍。管路使用的材料為1Cr18Ni9Ti，彈性模量2.1e5MPa，泊松比為0.3，密度7900kg/m3，管路外徑為8mm，壁厚為1mm。

圖5 管路實體模型

2.2 有限元分析

管路建模采用PIPE單元，外徑8mm，壁厚1mm，周向劃分24份，對管路中心線進行線網格劃分，共582個PIPE單元，管路兩端可看作固支，在兩端節點施加全約束。

在研究管路振動問題時，卡箍質量的影響可以不計，在ANSYS中用彈簧單元COMBIN14來模擬，若為求解管路的振動響應，卡箍建模時需同時考慮剛度和阻尼，本文只求解系統的固有模態，阻尼系數的影響可以忽略，只考慮剛度作用，具體方法如下：選取COMBIN14單元對管路上布置卡箍處施加彈支，其中，根據卡箍支承方向，1號支點加X和Y兩個方向彈支，2號和3號支點施加Y和Z兩個方向彈支，通過卡箍剛度試驗測得其剛度為120N/mm，然后對整個系統進行模態分析，得到各階振型和頻率如圖6所示。

圖6 有限元分析結果

2.3 模態試驗分析

針對前述的某渦軸發動機外部復雜管路，在該發動機上進行了模態試驗，模態試驗采用錘擊法中的多點激振，單點拾振方式，共布置25個測點，傳感器位置在8號測點，采用加速度傳感器拾振，卡箍布置點為5號、9號、17號位置，管接頭在13號位置，所建模型如圖7所示。

圖7 模態試驗測點布置

由模態試驗得到管路在兩端固支狀態下的傳遞函數如圖8所示。

圖8 傳遞函數圖

根據傳遞函數，確定固有振動階數，進一步采用實模態多自由度方法對結果進行擬合，得到管路在兩端固支的狀態下振動的各階振型及頻率如圖9所示。

圖9 模態試驗結果

2.4 仿真與試驗對比分析

仿真計算與模態試驗各階頻率值對比如表1 所示。

表1 仿真與試驗結果對比

對比圖6和圖9，仿真和試驗結果各階振型具有較好的一致性，因此所建立的有限元模型在剛度分布和質量分布上與實際結構相吻合；由表1可見，對于各階振動頻率，仿真結果相對于試驗結果的誤差均小于10%，前三階小于2%，證明所建立的復雜管路模型準確性較好，可以滿足工程問題的計算需求。

3.結論

（1）航空發動機外部管路中的管接頭、卡箍對系統的振動特性有影響，在進行管路振動分析時有必要將其考慮在內；

（2）仿真計算和試驗結果有較好一致性，證明本文的外部復雜管路模型建立方法精度較高，可以滿足工程問題計算需求；

（3）本文只研究了空管系統的模態，對航空發動機外部管路而言，其內部流動液體會與其相互作用產生流固耦合振動，在后續的研究中有必要對其進行深層次的分析。