穩態溫度場對航空發動機靜子振動特性影響的研究

景曉東 王克明 張婷婷 孫陽

【摘要】根據溫度場分段插值方法對某型航空發動機靜子結構進行了溫度場求解，并利用得到的溫度場對航空發動機靜子熱-結構耦合分析，通過結構模態分析和諧響應分析計算，得到了該型航空發動機在溫度場作用下的振動特性，對計算結果進行進一步分析，驗證了計算結果的合理性。

【關鍵詞】航空發動機 場序耦合方法 模態分析 諧響應分析

1引言

航空發動機的靜子支承結構是連接發動機轉子和發動機其他部件的主要承力結構，靜子系統包含航空發動機整機的機匣以及簡單的靜子葉片，不包含轉子葉片、復雜的附件系統。

隨著航空發動機技術的不斷發展以及發動機故障診斷水平的提升，發動機靜子結構承受熱載荷作用下的工作特性研究越來越多，因為它直接影響著轉子結構的動力特性。近年來，國內開展了很多關于航空發動機結構與溫度場耦合問題的研究工作。

本文利用溫度場分段差值方法對某型航空發動機靜子結構開展了場序熱-結構耦合分析研究。

2場序熱-結構耦合方法

本文所研究的問題中溫度場對發動機靜子結構振動特性的影響可以看作為單向影響，正適合采用場序熱-結構耦合方法。該方法先利用初始溫度條件對結構進行穩態溫度場分析，得到結構在穩態溫度場下的節點溫度文件，然后轉換分析單元，導入結構材料特性曲線，將熱分析中的得到的節點溫度文件導入并作為溫度載荷施加到結構節點上去，最后進行分析計算，求解并得到結構振動特性數據。

穩態溫度-空間場數據復雜，直接施加于結構難度較大，在施加溫度邊界條件之前應對該溫度邊界條件進行適當化簡，目前可以采用的方法有線性分段插值方法，即先將溫度初始條件進行分段差值，然后將處理后的數據導入結構，利用有限元軟件自身的插值計算能力求解出初始溫度條件下的結構穩態溫度場分布狀況。

3熱-結構耦合的計算求解

3.1材料特性和溫度初始條件

根據實測數值簡化結構溫度初始條件[5]，進一步提取關鍵位置的溫度數據，就能夠通過有限元軟件對溫度初始條件進行分布插值運算，從而得到靜子結構在工作狀態下的溫度分布情況，進一步提取熱分析中得到的溫度空間場，就得到了在結構分析中需要的溫度載荷條件，這樣就可以完成溫度載荷的施加。溫度載荷施加過程還應當注意單元類型的轉換，由于場序熱-結構耦合方案下的分析包括熱分析與結構分析兩大部分，而在不同分析時對有限元網格單元的要求也不一樣，本文中首先計算結構溫度場，在ANSA網格劃分軟件導出的有限元模型數據文件中先將單元類型設為熱分析單元solid70，在后續的機構分析中可以使用有限元軟件自身的單元轉換工具將熱單元solid70轉換成與之相對應的結構單元solid185，通過這種轉換，使得分析能夠在熱、結構兩個求解領域中連續而穩定。

3.2熱應力求解

如前所述通過對于結構的熱分析得到的溫度分布狀態將作為后續分析的初始條件，首先采用提取空間溫度場的方法得到結構空間-溫度載荷文件，在之后的熱-結構耦合分析中，調用該文件作為溫度載荷施加于結構之上，這樣就完成了溫度載荷在結構上的施加。

求解得到常溫狀態和溫度場作用下結構前十階固有模態，如表一所示。

表1固有頻率對比圖（單位：Hz）

由上表可見結構在溫度場的作用下固有頻率同常溫狀態下的計算結果相比較要低一些。

用同樣的計算方法對某型航空發動機靜子常溫狀態下和溫度場作用下進行諧響應分析計算得到頻率響應函數圖如圖1所示

從溫度場作用下與常溫狀態下的結構響應圖中可以看出常溫狀態下響應函數在第三階固有頻率處出現峰值，而在溫度場作用下響應函數在第四階固有頻率下出現峰值。

4結語

（1）考慮溫度場作用下的靜子結構固有頻率計算值要低于常規方法不考慮溫度場情況下的計算值，較好的驗證了溫度場對結構振動問題求解的修正特點。（2）由頻率響應圖可知，在溫度場改變了靜子結構的固有頻率下，響應函數的峰值也隨之改變。（3）溫度場對航空發動機靜子的模態分析與諧響應分析都有著較大的影響。

參考文獻：

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