基于有限元的SR20飛機空調(diào)壓縮機安裝方式優(yōu)化設計

摘 要：針對SR20飛機空調(diào)壓縮機安裝結(jié)構(gòu)，運用有限元分析軟件ANSYS，對該結(jié)構(gòu)及連接部件進行精確的數(shù)值建模，然后利用ANSYS對該結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的力學特性進行數(shù)值模擬分析，并運用后處理對數(shù)值分析結(jié)果進行數(shù)據(jù)及圖像描述，最后對壓縮機及連接部件的力學性能進行評估，并通過數(shù)值模擬分析設計優(yōu)化后該結(jié)構(gòu)的動力響應及力學性能，為壓縮機結(jié)構(gòu)的改進設計和日常維護提供了有力依據(jù)。

關(guān)鍵詞：壓縮機結(jié)構(gòu)；有限元建模；動力響應；優(yōu)化設計

引言

SR20飛機作為新型引進的機型投入運行已一年多的時間，在該機型上多次出現(xiàn)空調(diào)壓縮機接耳及固定襯套裂紋、斷裂等故障。經(jīng)初步的結(jié)構(gòu)及受力及分析，發(fā)現(xiàn)造成壓縮機裂紋故障頻發(fā)的根本原因在于空調(diào)壓縮機與機匣連接設計存在缺陷，其安裝固定方式不合理，據(jù)此判斷該出現(xiàn)故障將是該機型的普遍現(xiàn)象，故有必要在該機型上對壓縮機的固定方式進行優(yōu)化設計和改進，否則勢必造成在飛行訓練中壓縮機裂紋故障高發(fā)，不僅增加了機務維修工作的任務量，還對航材和人力資源造成了嚴重的浪費，降低了飛機的使用效率。

文章將力學相關(guān)理論知識、數(shù)值建模仿真分析和工程實踐經(jīng)驗相結(jié)合：以一定程度的理論力學、材料力學、固體力學相關(guān)理論知識和相關(guān)實踐經(jīng)驗為依托，對空調(diào)壓縮機及其連接結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)簡化和數(shù)值建模，以模擬該結(jié)構(gòu)在實際中的力學特性，并為飛機制造商提供高強度飛行訓練使用條件下的壓縮機故障統(tǒng)計、分析和優(yōu)化改進可行性及實用性分析數(shù)據(jù)。

1 壓縮機安裝結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

該壓縮機安裝結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示。壓縮機下端通過其接耳、襯套的配合及螺桿的貫穿作用，與安裝在發(fā)動機機匣的支撐片相配合，另一端通過連桿固定在機匣上（圖中未畫出），右端皮帶輪通過皮帶的作用帶動壓縮機內(nèi)部機構(gòu)做旋轉(zhuǎn)運動，從而保證空調(diào)系統(tǒng)的正常工作。

該空調(diào)壓縮機結(jié)構(gòu)中，壓縮機、接耳、支撐片、螺桿及皮帶輪均采用合金鋼材料，襯套采用硬鋁材料，其材料性能屬性如表1所示：

表1 材料性能參數(shù)表

1.1 壓縮機結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

對壓縮機結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析主要考察該結(jié)構(gòu)的動力特性及危險部位的應力水平，由于接耳部位受力比較復雜，如果單元區(qū)劃過于龐大，結(jié)果的正確性不能保障；如果采用四面體單元，則其計算精度無法保證；同時，如果單元形狀過于繁雜或者籠統(tǒng)，則計算規(guī)模就必須要擴大，而且其計算精度會大大降低。為了保證求解精度的實現(xiàn)，并且盡可能地減少網(wǎng)格數(shù)量并減少計算規(guī)模，在進行網(wǎng)格劃分時，可以將壓縮機體元分化成較多個形狀較為規(guī)則的獨立個體元，盡管接耳螺紋孔及相關(guān)連接部位的網(wǎng)格劃分得比較細小，但是其精度就能夠被更加有效的保證。而其它體元采用映射網(wǎng)格劃分方法，可以將其形狀劃分為規(guī)則的六面體，利于數(shù)據(jù)的精準度分析。與此類似，除了支撐片、襯套等與其它部件相連接的部位的網(wǎng)格劃分比較細密外，其它部位均采用體元分割、網(wǎng)格映射等方法生成形狀較為規(guī)則的六面體單元。

1.2 壓縮機結(jié)構(gòu)接觸模型的建立

為了保證模擬壓縮機接耳與支撐片之間、接耳與螺桿之間以及支撐片與機匣之間的連接關(guān)系，就需要在其相連接、接觸的部位建立接觸單元，連接其技術(shù)工作點，因為由于生成的接觸部位對有可能出現(xiàn)局部的初始滲透，會產(chǎn)生影響，所以須將CONTA174單元的關(guān)鍵字9設置成1，即刪除初始滲透，防止模型初始接觸與實際不符。

網(wǎng)格劃分后總的實體單元數(shù)是24224，接觸單元數(shù)是5192，節(jié)點數(shù)是31288。整個三維有限元模型如圖2 所示。

1.3 邊界條件和載荷的施加

根據(jù)該壓縮機結(jié)構(gòu)的設計規(guī)劃條件， 支撐片與機匣為一整體結(jié)構(gòu)，其下端面作為基礎。因此在該結(jié)構(gòu)的動力學分析中，將壓縮機支撐片下端面全部自由度約束，以模擬其力傳遞到基礎的過程；壓縮機接耳及襯套通過固定螺桿與壓縮機支撐片進行固定、連接。根據(jù)壓縮機的工作原理，該壓縮機皮帶輪皮帶張力應滿足數(shù)值要求（9.5～12.2 N·m）。所以其能夠?qū)嚎s機皮帶輪及軸承部位添加兩個周期內(nèi)交變的壓力加載曲線以模擬其皮帶張力從最小值到最大值這一變化過程進行把握。同時，對整個結(jié)構(gòu)施以重力加速度以模擬其所受的重力載荷。

圖3 軸承部位壓力加載曲線

在上圖加載曲線中，壓力值（Pressure）是通過皮帶張力值與軸承直徑、皮帶輪長度等尺寸計算后得到的。其中， Time=0、0.025、0.05S時對應的壓力值為9.933Mpa（相應的皮帶張力值為9.5N·m），Time=0.0125S、0.0375時對應的壓力值為11.333Mpa（相應的皮帶張力值為12.2N·m）。

2 有限元模型數(shù)值計算及分析

在動力學問題中，為高效全面及時的得到結(jié)果得到一個較為穩(wěn)妥或者能夠使用動態(tài)力學求解的方程式為了較快地使結(jié)果能夠準確可靠，還可以采用人工阻尼技術(shù)。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，在此取阻尼系數(shù)=0.1。利用ANSYS動力學分析的完全法對壓縮機結(jié)構(gòu)在交變應力作用下的瞬態(tài)響應分析，并運用后處理對數(shù)值分析結(jié)果進行處理，得到該結(jié)構(gòu)在某一時刻的應力云圖及危險點處的應力-時間歷程變化曲線。

2.1 基于數(shù)值模擬的應力水平分析

由于該結(jié)構(gòu)在皮帶張力作用下，壓縮機結(jié)構(gòu)在受力過程中承受彎矩作用，同時根據(jù)文獻[1]可知，該結(jié)構(gòu)通過固定螺桿將力傳遞到襯套及接耳上，此時接耳處的應力應達到最大。通過上述分析以及ANSYS的后處理動畫模擬，可以看出在整個加載過程中較高的應力始終發(fā)生在接耳處，且始終發(fā)生在接耳與襯套連接部位的螺紋孔處。以此為據(jù)，重點對接耳螺紋孔處的應力及位移等才能夠?qū)恿μ匦赃M行分析。

選取壓縮機接耳與襯套連接孔處節(jié)點編號為9091的節(jié)點，同時利用后處理數(shù)據(jù)分析功能，得出在Time=0.0099s時，該點處的應力最大，為797.426MPa。同時，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理及曲線擬合，得出該節(jié)點的應力-時間變化曲線。其Time=0.0099s時的U型架應力云圖及危險點處的應力-時間歷程變化曲線如圖4、圖5所示。endprint

從圖5可以看出，壓縮機接耳處的應力-時間歷程變化曲線出現(xiàn)明顯的隨機振動特征，這種隨機振動是一般的振動特性，是彈性機構(gòu)動力學的固有振動性質(zhì)和接觸對間的非均勻力學特性（間隙、幾何數(shù)值建模等會引入此非均勻性）共同作用的結(jié)果；同時，該曲線變化與外載趨勢相符，這符合線性加載方式的基本規(guī)律，也說明數(shù)值計算結(jié)果是可信與合理的。

2.2 基于數(shù)值模擬的動力特性分析

為了進一步描述壓縮機結(jié)構(gòu)在外載作用下的動力特性，壓縮機接耳處任一節(jié)點的位移-時間響應曲線與襯套的實際變形進行比較，從而對該結(jié)構(gòu)的動力特性進行評估。

根據(jù)工程實踐可知，該壓縮機接耳處變形多發(fā)生接耳、襯套及安裝螺桿的軸向方向（即模型中的橫向），且通過后處理動畫可以看出，其豎、橫向位移很小，最大為0.0182mm，可以忽略不計，因此僅重點分析該U型架橫向變形情況。選取接耳螺栓孔外端節(jié)點編號為14999的節(jié)點，其橫向位移-時間歷程變化曲線如圖6所示。

圖6 節(jié)點14999處的X向位移-時間歷程變化曲線

從圖6可以看出，該壓縮機結(jié)構(gòu)接耳處的橫向位移-時間歷程變化曲線趨勢與應力-時間歷程變化曲線相類似，也出現(xiàn)明顯的隨機振動特征，其原因與上述分析相同。另外，該曲線變化與外載及應力-時間歷程變化趨勢相符，且其變形趨勢與壓縮機接耳實際結(jié)構(gòu)變形相類似，也說明數(shù)值計算結(jié)果是可信與合理的。

3 結(jié)束語

文章介紹了該利用模式在ANSYS軟件中對SR20飛機空調(diào)壓縮機安裝結(jié)構(gòu)采用APDL參數(shù)化自底向上直接建模的方法，并利用瞬態(tài)動力分析模塊，對該結(jié)構(gòu)在交變載荷作用下的進行了數(shù)值模擬研究和對比，獲取該結(jié)構(gòu)的動力響應函數(shù)曲線，結(jié)果與實際基本貼切；并利用數(shù)值模擬技術(shù)對設計優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行動力特性分析，結(jié)果表明，可以通過在接耳與支撐板連接處添加鋁制墊片的方法減小壓縮機接耳處的應力及變形情況，進而滿足工程應用的需要。

參考文獻

[1]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]宋寶玉.簡明機械設計手冊[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2008.

[3]周寧.ANSYS機械工程應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[4]刑靜忠.ANSYS應用實例與分析[M].北京：科學出版社，2006.

[5]張祖明.機械零件強度的現(xiàn)代設計方法[M].北京：航空工業(yè)出版社，1990.

[6]王仲華.飛行器折疊尾翼的彈性動力學有限元數(shù)值分析[D].西北工業(yè)大學碩士學位論文，2008.

[7]張亞輝，林家浩.結(jié)構(gòu)動力學基礎[M].大連：大連理工大學出版社，2008.

作者簡介：王凱（1984-），男，漢族，河南省滎陽市人，碩士研究生，現(xiàn)任中國民航飛行學院洛陽分院工程師，從事工程技術(shù)工作。endprint

從圖5可以看出，壓縮機接耳處的應力-時間歷程變化曲線出現(xiàn)明顯的隨機振動特征，這種隨機振動是一般的振動特性，是彈性機構(gòu)動力學的固有振動性質(zhì)和接觸對間的非均勻力學特性（間隙、幾何數(shù)值建模等會引入此非均勻性）共同作用的結(jié)果；同時，該曲線變化與外載趨勢相符，這符合線性加載方式的基本規(guī)律，也說明數(shù)值計算結(jié)果是可信與合理的。

2.2 基于數(shù)值模擬的動力特性分析

為了進一步描述壓縮機結(jié)構(gòu)在外載作用下的動力特性，壓縮機接耳處任一節(jié)點的位移-時間響應曲線與襯套的實際變形進行比較，從而對該結(jié)構(gòu)的動力特性進行評估。

根據(jù)工程實踐可知，該壓縮機接耳處變形多發(fā)生接耳、襯套及安裝螺桿的軸向方向（即模型中的橫向），且通過后處理動畫可以看出，其豎、橫向位移很小，最大為0.0182mm，可以忽略不計，因此僅重點分析該U型架橫向變形情況。選取接耳螺栓孔外端節(jié)點編號為14999的節(jié)點，其橫向位移-時間歷程變化曲線如圖6所示。

圖6 節(jié)點14999處的X向位移-時間歷程變化曲線

從圖6可以看出，該壓縮機結(jié)構(gòu)接耳處的橫向位移-時間歷程變化曲線趨勢與應力-時間歷程變化曲線相類似，也出現(xiàn)明顯的隨機振動特征，其原因與上述分析相同。另外，該曲線變化與外載及應力-時間歷程變化趨勢相符，且其變形趨勢與壓縮機接耳實際結(jié)構(gòu)變形相類似，也說明數(shù)值計算結(jié)果是可信與合理的。

3 結(jié)束語

文章介紹了該利用模式在ANSYS軟件中對SR20飛機空調(diào)壓縮機安裝結(jié)構(gòu)采用APDL參數(shù)化自底向上直接建模的方法，并利用瞬態(tài)動力分析模塊，對該結(jié)構(gòu)在交變載荷作用下的進行了數(shù)值模擬研究和對比，獲取該結(jié)構(gòu)的動力響應函數(shù)曲線，結(jié)果與實際基本貼切；并利用數(shù)值模擬技術(shù)對設計優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行動力特性分析，結(jié)果表明，可以通過在接耳與支撐板連接處添加鋁制墊片的方法減小壓縮機接耳處的應力及變形情況，進而滿足工程應用的需要。

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[7]張亞輝，林家浩.結(jié)構(gòu)動力學基礎[M].大連：大連理工大學出版社，2008.

作者簡介：王凱（1984-），男，漢族，河南省滎陽市人，碩士研究生，現(xiàn)任中國民航飛行學院洛陽分院工程師，從事工程技術(shù)工作。endprint

從圖5可以看出，壓縮機接耳處的應力-時間歷程變化曲線出現(xiàn)明顯的隨機振動特征，這種隨機振動是一般的振動特性，是彈性機構(gòu)動力學的固有振動性質(zhì)和接觸對間的非均勻力學特性（間隙、幾何數(shù)值建模等會引入此非均勻性）共同作用的結(jié)果；同時，該曲線變化與外載趨勢相符，這符合線性加載方式的基本規(guī)律，也說明數(shù)值計算結(jié)果是可信與合理的。

2.2 基于數(shù)值模擬的動力特性分析

為了進一步描述壓縮機結(jié)構(gòu)在外載作用下的動力特性，壓縮機接耳處任一節(jié)點的位移-時間響應曲線與襯套的實際變形進行比較，從而對該結(jié)構(gòu)的動力特性進行評估。

根據(jù)工程實踐可知，該壓縮機接耳處變形多發(fā)生接耳、襯套及安裝螺桿的軸向方向（即模型中的橫向），且通過后處理動畫可以看出，其豎、橫向位移很小，最大為0.0182mm，可以忽略不計，因此僅重點分析該U型架橫向變形情況。選取接耳螺栓孔外端節(jié)點編號為14999的節(jié)點，其橫向位移-時間歷程變化曲線如圖6所示。

圖6 節(jié)點14999處的X向位移-時間歷程變化曲線

從圖6可以看出，該壓縮機結(jié)構(gòu)接耳處的橫向位移-時間歷程變化曲線趨勢與應力-時間歷程變化曲線相類似，也出現(xiàn)明顯的隨機振動特征，其原因與上述分析相同。另外，該曲線變化與外載及應力-時間歷程變化趨勢相符，且其變形趨勢與壓縮機接耳實際結(jié)構(gòu)變形相類似，也說明數(shù)值計算結(jié)果是可信與合理的。

3 結(jié)束語

文章介紹了該利用模式在ANSYS軟件中對SR20飛機空調(diào)壓縮機安裝結(jié)構(gòu)采用APDL參數(shù)化自底向上直接建模的方法，并利用瞬態(tài)動力分析模塊，對該結(jié)構(gòu)在交變載荷作用下的進行了數(shù)值模擬研究和對比，獲取該結(jié)構(gòu)的動力響應函數(shù)曲線，結(jié)果與實際基本貼切；并利用數(shù)值模擬技術(shù)對設計優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行動力特性分析，結(jié)果表明，可以通過在接耳與支撐板連接處添加鋁制墊片的方法減小壓縮機接耳處的應力及變形情況，進而滿足工程應用的需要。

參考文獻

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作者簡介：王凱（1984-），男，漢族，河南省滎陽市人，碩士研究生，現(xiàn)任中國民航飛行學院洛陽分院工程師，從事工程技術(shù)工作。endprint