壓氣機減重強度設計探索與研究

【摘 要】本文介紹某發動機壓氣機減重設計中對材料更改的力學特性分析，利用UG和ANSYS軟件對壓氣機減重所設計的強度問題進行系統的強度分析設計。

【關鍵詞】壓氣機；減重設計；有限元分析；振動特性；強度；剛度

0 前言

某型號發動機壓氣機是基于20世紀50年代的材料、冶金、鑄造、生產、和工藝技術設計的，在材料和加工工藝方面大大落后于當代水平，該發動機在同類發動機中技術已顯落后，具有很大的提升空間，尤其突出的是，與相同推力發動機的重量相比，重量超出數百斤，不但大量消耗了燃油，而且降低了有效載荷。目前，新材料、先進的加工設備和加工工藝為減重提供了堅實的物質基礎，對壓氣機進行減重研究，而強度設計是保證減重成功的重要設計分析手段之一。

該壓氣機是單轉子十級軸流式亞音壓氣機，由轉子和靜子兩部分組成。在之前壓氣機所使用的材料是密度比較大的結構鋼，使得壓氣機的重量較大，為了減輕壓氣機的重量，采用密度比較小的鈦合金來代替結構鋼。這需要對減重前后的壓氣機的強度、剛度和振動特性是否符合要求，進行了論證分析工作，分別對壓氣機的整體盤和葉片在結構鋼和鈦合金兩種材料下進行了對比強度分析，來確保該壓氣機的減重強度滿足可靠性要求，為今后同類產品的減重設計積累了重要經驗。

1 減重強度設計的技術指標

減重設計的強度分析，是保證優化設計得以順利進行的重要指標之一。要保證更改材料使部件在滿足減重要求的同時，其性能指標以及其他參數指標有所提高。

振動特性要求 新材料的葉片固有振動頻率要大于原材料的固有振動頻率，且在工作區域內主要倍頻和分頻不會影響發動機的振動特性。滿足材料更改滿足振動特性要求，使其在工作狀態及過渡狀態避免共振情況的發生。

強度要求 更改后的新材料葉片和輪盤的強度剛度特性要優于原材料，且要低于新材料的屈服極限，留有足夠的裕度。

剛度要求 更改后的新材料葉片和輪盤的最大徑向位移要小于原材料最大徑向位移，使其滿足剛度設計要求以及配合間隙的要求，避免工作狀態發生刮磨事故的發生。

2 相關理論

在分析過程中應用了ANSYS軟件的最新分析方法。在軟件的使用過程中，緊跟軟件的最新版本，充分發揮了有限元軟件的功能，并且發掘出了軟件的許多新功能。采用間接耦合分析，間接耦合分析是指特定的順序求解單個物理場的模型。前一個分析的結果作為后續分析的邊界條件施加，有時也稱之為序貫耦合分析[1]。進行過盈配合分析，在接觸問題中很難分析高度非線性特征，需要較大的計算資源，為了進行有效的計算，采取合理的方式進行等效應力的方式進行等效預緊力。

3 計算參數的選取

材料數據性能比較分析

經過對材料性能以及以往發動機材料的經驗，并根據相關航空材料數據手冊[2-3]，對壓氣機盤由不銹鋼1Cr11Ni2W2MoV改為鈦合金TC11。

4 計算內容及結果分析

4.1 葉片的振動分析

在所有的發動機在研制和使用過程中，幾乎都發生過葉片的振動問題，據有關資料表明，葉片振動故障大約占發動機結構故障的三分之一，諸如裂紋、折斷等葉片故障事故，絕大部分是因葉片振動引起的[4]。因此在壓氣機減重設計中，必須進行葉片的振動分析。

進行工作葉片模態分析，避免發生共振的情況，經過計算分析，各階振動頻率均高于工作頻率。且倍頻和分頻內不影響發動機振動特性曲線，滿足工作頻率的要求。

4.2 葉片的振型分析比較

葉片彎曲振動是葉片繞慣性軸產生的彎曲的振動，在葉片生出現一條橫節線振型的振動為一階彎曲振動，對應的頻率為一階彎曲振動頻率，出現兩條橫節線振型的振動為二階彎曲振動，對應的頻率為二階彎曲振動頻率，其余類推。一階彎曲振動也稱為基本階振動，其特點是節線靠近葉片根部，它是發動機中常見的葉片振動現象，要給予足夠的重視[4]。

葉片扭轉振動是葉片繞截面扭心線扭轉，出現有縱向節線的振動。在葉片上出現一條縱向節線和一條靠近葉根的橫向節線的振動稱為一階扭轉振動，對應的頻率為一階扭轉振動頻率，一階扭轉振動也常出現在葉片中，故也危險。

復合振動通常為彎曲振動與扭轉振動的合成振動。復合振動較為復雜，振動頻率較高，常出現不規則振型，往往還伴隨著較高的局部應力，因為在實際工程中，發動機的實際葉片一般都是扭轉形狀的變截面葉片，發動機葉片出現高頻復合振動也應引起重視。

4.3 工作葉片強度剛度分析

要進行強度剛度分析，分析出工作葉片應力分布和徑向位移大小。工作葉片是壓氣機中極為重要的零件，其設計的好壞直接關系到發動機性能的優劣和使用安全，在實際使用中，由于葉片的破壞而造成的發動機失效的例子屢見不鮮，因此在壓氣機改進減重設計中必須進行強度剛度分析。進行葉片強度分析，分析出最大應力及其位置；同時進行剛度分析，并分析出其徑向位移，防止工作葉片與壓氣機機匣發生掛磨。

進行比較分析，兩種材料的其最大應力位置與最大徑向位移位置相近。

4.4 葉片離心力及輪盤預緊應力分析

通過支反力的求法，利用ANSYS軟件，求出葉片離心力；利用等效應力效果，求出輪盤預緊應力。

4.5 輪盤應力和徑向位移分析

將葉片的離心載荷以及輪盤之間的預緊應力載荷以及輪盤自身的離心載荷全部施加在輪盤上，進行輪盤的強度剛度分析。為避免發生刮磨。對篦齒處最大徑向位移進行分析。

預緊應力的施加采取等效的方法，即先施加一定的壓力使其產生特定的位移，然后將其壓力與其他載荷同時耦合作用在輪盤上。

榫槽處為關鍵部位，當應力超過材料的屈服極限時，需要單獨進行強度分析。榫槽部分進行等分切割，計算采用20節點Solid 95單元，該單元為SOLID45（3維8節點）的高階單元形式，能夠容許不規則形狀，并且不會降低精確性，特別適合邊界為曲線的模型，同時，其偏移形狀的兼容性好，在空間的方位任意，本單元具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應力剛度、大變形以及大應變的能力。

4.6 綜合性能指標

通過以上的振動分析以及強度剛度分析，以及材料特性的比較分析， TC11的各項性能均由于1Cr11Ni2W2MoV。主要技術參數比較見表1。

5 結論與意義

通過ANSYS軟件對該壓氣機減重的強度設計分析，確定葉片和輪盤的高應力區域和最大應力點位置，進行局部優化設計，并確定振動特性和徑向位移特性。為壓氣機減重提供了理論依據，減少了高昂的費用，縮短了分析周期，提高優化設計分析能力，節省大量的試驗費用。同時為今后同類產品的優化設計積累了重要經驗。

【參考文獻】

[1]航空發動機設計手冊：葉片輪盤和主軸強度分析[M].航空工業出版社，2001.

[2]中國航空材料 結構鋼 不銹鋼（第1卷）[M].中國標準出版社，1988.

[3]中國航空材料 鈦合金 銅合金（第4卷）[M].中國標準出版社，1988.

[4]航空發動機設計手冊：壓氣機[M].航空工業出版社，2001.

[責任編輯：薛俊歌]