骨架式支承框架結構設計技術研究

骨架式支承框架結構設計技術研究

馬婷婷，羅貴火，王飛

(南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇南京210016)

摘要：借鑒于F119發動機外涵機匣的骨架式結構設計思想，提出了骨架式承力框架結構的設計技術研究并對骨架式中介機匣進行了初步研究。針對某型渦扇發動機的中介機匣結構建立了矩形、三角形、菱形三種骨架結構，根據構件的不同受載情況，分析了四種工況下典型骨架式中介機匣結構的強度和變形的規律。為快速有效的計算分析，編寫了構件的參數化設計程序并形成了可視化界面的參數化設計軟件平臺，實現了建模、計算和查看結果的參數化，最終得出結論為三角形骨架結構較好。

關鍵詞:骨架式結構強度和變形參數化建模軟件平臺可視化界面

中圖分類號：V232.5文獻標識碼：A

作者簡介：馬婷婷，女，碩士，研究方向：結構強度與振動。

收稿日期：2015-03-04

Research on the design technology of skeletal supporting frame structure

MA Tingting, LUO Guihuo, WANG Fei

Abstract:In light of the structure design idea of the F119 engine bypass duct case, the paper presents a design and technology research of the skeletal supporting structure, and carries out a preliminary study about the skeletal intermediate case. Rectangle, triangle and rhombus skeletal structures have been established on the basis of a certain type of the turbofan engine. The law of the strength and deformation of the typical skeletal intermediate case under four loading conditions was analyzed in the paper according to different loading conditions of component. For effective and efficient calculation and analysis, the parametric design program of the artifacts was created and the visual interface of parametric design software platform was constructed .The parametric modeling, parametric calculation and parametric inquiry of the results were achieved. The thesis comes to a final conclusion: the triangle frame structure is the best.

Keywords:skeletal structure; strength and deformation ;parametric modeling; software platform ; visual interface

0引言

隨著航空發動機性能要求的提高，國內外在航空發動機結構的設計中，開始引入骨架式承力框架結構。骨架式承力框架結構可以有效的減輕航空發動機承力系統結構重量，提高發動機承力骨架系統材料的利用率，增大推重比。借鑒于F119航空發動機外涵機匣[1]的骨架式結構設計思想，本文針對某型渦扇發動機中介機匣進行骨架式結構的設計技術研究，中介機匣是渦輪風扇發動機的重要承力部件，處于低壓壓氣機和高壓壓氣機之間，擔負著為渦扇發動機的內、外涵道分配氣流的任務，一般是由內機匣、外機匣、分流環和支板組成的承力框架結構，其二維示意圖如圖1所示。

圖1　中介機匣特征結構二維簡圖

中介機匣的內機匣前、后安裝邊分別連接著錐形壁及軸承座，用以支承風扇轉子和高壓轉子；外機匣前、后安裝邊則分別連接著發動機風扇機匣和外涵機匣，同時在外機匣外壁兩側位置設有發動機主安裝節，起著固定發動機的作用。中介機匣的內、外機匣通過支板相連接，構成了雙層承力結構。支板中部位置連接有分流環，分流環為分段構件組合而成，由分流環安裝邊固定起來，分流環安裝邊又連接著高壓壓氣機的外機匣[2]。

圖2　骨架式中介機匣

本文所研究的骨架式中介機匣，是在某型中介機匣的基礎上，對其外機匣進行開孔處理并在外機匣內表面創建一層蒙皮結構形成類似于F119外涵機匣的外骨架結構，在保證強度和剛度的前提下減輕機匣重量，尋求不同形狀孔中最佳的孔的形狀、及最佳孔形狀中孔的個數和尺寸。本文孔的樣式有矩形、三角形和菱形三種典型形狀，為對比三種結構的強度和剛度，保證了三種結構中孔的個數相等、總重量也相等。三種結構形式的中介機匣分別如圖2所示，其中，y坐標軸為中介機匣軸向，且正方向指向航向，兩安裝節連線方向為z軸方向。

1骨架式中介機匣的有限元分析

由于要計算三種形狀多種工況下的應力和變形情況，如果計算分析一次就對每種形狀每種工況重新進行一次建模、加載等處理，不免會浪費大量時間和精力，工作效率低，因此，本文將借助參數化設計進行骨架式中介機匣的結構設計分析。

傳統的模擬仿真是先在UG中建立需要的三維結構，再導入ANSYS中進行有限元建模、計算、分析，僅僅是基于可視化平臺打開ANSYS, 在GUI方式下進行仿真計算，為了得到最佳骨架式中介機匣, 往往需要多次重復“建模、分析、判斷、修改參數”的繁瑣過程, 耗費大量的時間和精力。ANSYS的參數化設計語言APDL與VB的結合可以很好的克服這一弊端。

1.1幾何參數化

對于骨架式中介機匣結構參數化設計，目的是只簡單修改中介機匣某部分的參數，即可得到新的中介機匣模型，而不用手動重新建模，從而省去反復建模的工作，節約設計時間和精力。

X1.矩形孔左側邊到左邊界的距離； Y1.矩形孔下側邊到下安裝邊的距離； L1.矩形孔軸向間隙； L2.矩形孔周向間隙； B1.1/2矩形高； B2.1/2矩形長； N1.矩形孔軸向個數； N2.矩形孔周向個數的1/4。 圖3　矩形孔示意圖

骨架式中介機匣的有些尺寸是固定的，如中介機匣的內機匣外徑、外機匣內徑、分流環和支板等的尺寸和位置，它們構成發動機的氣流通道，由氣動要求確定，不能隨意更改，因此這部分結構用不變參數來表示。中介機匣上安裝節的外形尺寸固定，但其位置需隨外機匣的壁厚變化而改變，所以安裝節的位置需要與外機匣的壁厚相關聯，需用數學關系來表示。骨架式中介機匣設計的重點是外機匣上孔的形狀、大小、分布密度以及外機匣的壁厚等，這些結構應該用可變參數完整地描述出來，以便對它們進行反復修改和分析，從而尋找到最佳設計。

以矩形孔為例，圖3中為四分之一外機匣結構的展開平面示意圖。

其中，根據三維結構特點及幾何尺寸，建立了參數之間的數學關系：

X1=6.23+(90-9.5-2*N2*180*B2/(157*PI))/(N2+1)

保證了孔的周向均勻分布，也避免了開孔的地方與安裝節產生沖突；另外：

Y1=21.196+(128-21.196*2-2*N1*B1)/(N1+1)

保證了孔的軸向均勻分布；同時，為了防止軸向和周向的孔與孔之間造成打通的現象，我們應限制兩個方向的間隙L1和L2都應大于0。

1.2加載參數化

中介機匣主要承受軸向作用載荷、剪力作用載荷、彎矩作用載荷及扭矩作用載荷，軸向和剪力作用力施加較簡單，直接用力F命令即可實現，而對于彎矩和扭矩則需進行一定的等效后，分別將彎矩和扭矩施加到受載部位，

(1)彎矩的等效

圖4　彎矩等效示意圖

如圖4所示，假設軸向為z且具有一定厚度的圓筒在右端受到某彎矩載荷M的作用，則等效為圓筒的上半部分受拉，下半部分受壓。等效后力的表達式為：

式中：y為橫截面上點到中性軸的距離；

Iz=(π/4)(R4-r4)為橫截面繞中性軸的慣性矩。

由此公式可知，可以將彎矩M等效成在圓筒右端沿Y軸線性分布的軸向面力，面力的斜率為-M/Iz，在中性軸處數值為0。等效成集中力后，采用以下命令實現參數化：

SFGRAD,PRES, ,X,0,-M1/Iz,！設置結構面力梯度及變化方向

SF,ALL,PRES,0！施加等效面力

(2)扭矩的等效

如圖5所示，假設圓筒上作用的扭矩為Mn，圓筒外徑為R，右端面外圈上的節點個數為NN2，則將扭矩等效為切向的剪力時，右端面上每個節點所受的力大小相等，數值為Mn/(NN2*R)，方向沿切線方向。然后按照以下命令實現參數化：

圖5　扭矩等效示意圖

*GET,NN2,NODE,0,COUNT！獲取選中的節點的個數

F,ALL,FY,T1/(171.5*NN2)！施加切向集中力

1.3基于VB的ANSYS二次開發

以APDL參數化語言為基礎，以方便、易用、可靠為原則，建立了VB與ANSYS結合的應用系統，工程人員只需在交互界面輸入相應的參數, 點擊按鈕即可, 使操作非常直觀、簡單。ANSYS核心計算部分通過VB 封裝在后臺, 保證計算分析的可靠性[3]。整個系統平臺本身具有良好的檢查和糾錯能力, 避免了用戶操作不當而造成嚴重損失。同時系統還具有較好的可移植性, 不需依賴特定的計算機或其他硬件設備,只要可以順利安裝ANSYS軟件和VB的硬件環境都可以使用本文開發的系統, 保證程序使用的廣泛性。

1.3.1軟件交互界面設計

利用VB可視化程度高、開發過程直觀的優勢, 建立骨架式中介機匣有限元分析的仿真平臺操作界面如圖6所示, 實現VB和ANSYS的交互[4], 采用面向對象的編程方法將APDL命令流封裝在后臺并實現與VB的嵌套。通過該交互界面可以設置工作路徑, 啟動后臺ANSYS,以及進入前、后處理。為最終實現參數化有限元分析奠定了基礎。

圖6　平臺操作界面

1.3.2軟件功能介紹

該系統以Windows為平臺, 以VB為工具, 利用面向對象的程序設計方法, 使其具有以下幾個方面的功能:

1)允許用戶可根據實際計算工況，輸入特定的計算參數, 包括材料(圖7)、載荷(圖8)；

2)允許用戶可以選擇不同形狀的孔的骨架式中介機匣結構，輸入希望的孔的個數，及孔的尺寸等中介機匣的幾何參數進行建模，如圖8所示；

3)允許用戶輸入不同的單元類型和輸入不同的劃分網格的尺寸大小建立骨架式中介機匣的有限元模型，如圖8所示；

圖7　材料參數選擇界面　　圖8　建模參數輸入界面

4)用戶在輸入各種參數以后、進行計算之前可以對輸入的數據進行修改、添加和刪除操作, 以保證輸入正確的參數。

5)用戶通過界面調用后臺的ANSYS命令流宏文件進行計算[5-6],能夠得到最后的計算結果文件, 能夠在界面上讀取重量、最大位移、最大應力分析結果，也可以查看應力云圖和位移云圖，供用戶進行結果分析, 同時可以依據APDL 編程[7]實現特定結果的存取與查詢，如圖9所示。

圖9　結果查詢界面

6)程序代碼具有開放性以及可重用性的優點。這樣, 能保證設計者在進一步的研究設計中,可以方便地修改和擴充代碼;而且,程序提供了設計接口,幫助新的設計者利用已有的接口, 不必要大幅度的修改程序,就可以完全進行新的設計開發,來適應產品的新的特殊要求。

7)此系統還提供了幫助文件，初識者可以查看幫助文件進行操作。

1.4計算結果

三種結構在四種工況下計算的應力云圖及最大等效應力值如表1所示。

表1三種結構的最大等效應力值及應力云圖數

觀察表1，比較三種不同形狀在四種工況下的骨架式中介機匣結構的最大等效應力值，都滿足強度極限，且四種工況下都是：三角形最大等效應力值<菱形最大等效應力值<矩形最大等效應力值，但是菱形和三角形的值相差很小，所以在外機匣上孔的個數相同，中介機匣重量也相同的情況下，三角形在同等載荷作用下，最有可能滿足強度要求，結論與F119發動機外涵機匣上采用三角形外骨架結構相吻合。

分析其不同工況下的應力分布情況，各狀態下骨架式中介機匣結構的最大等效應力出現的位置是隨著不同工況載荷的改變而改變的，具有一定的隨機性。分析其原因，是由于機匣受到的不同工況下載荷力和力矩各個方向都有，并且各個狀態的對應載荷值的大小成非比例變化，在這樣的載荷下必然使骨架式機匣上的應力場也不斷變化，所以Von Mises值出現的位置也隨載荷的變化而變化。

雖然最大Von Mises值出現的位置隨載荷變化，但在這四種工況下，通過對三種骨架式中介機匣結構計算的相關結果進行統計分析，可以發現其最大Von Mises值的位置是有規律的。最大Von Mises值發生的具體位置主要在四個承力支板與內、外機匣以及與分流環的連接處，雖然安裝節處也發生了應力集中，但是最大Von Mises值并沒有發生在那里。

三種結構在四種工況下計算的最大變形值如表2所示。

表2　三種結構的最大變形值/mm

從中可以看出每種工況下，三種結構的變形值相差很小，說明剛度并沒有很大差別。

2結論

本文提出了骨架式承力框架結構的設計研究思想，并通過基于VB和ANSYS接口技術開發的骨架式中介機匣結構參數化設計及有限元分析的專用設計分析軟件,快速分析了三種骨架式中介機匣結構的強度、剛度及應力、變形規律，得出：1)四種工況下，矩形、三角形、菱形三種骨架式中介機匣結構的最大等效應力的位置主要分布在承力支板與內、外機匣以及分流環的連接處；2)矩形、三角形、菱形三種骨架式中介機匣結構在四種工況下的應力情況的比較為，四種工況下都是三角形最大等效應力值<菱形最大等效應力值<矩形最大等效應力值，且菱形和三角形的值相差甚小，因此對含支板結構等連接件時，優先選擇三角形和菱形骨架結構；3)從變形方面來看，四種工況下，三種結構在同種工況下的變形值相差微小，說明剛度上差異并不大。本文的研究為近一步深入研究骨架式承力框架提供參考。

參考文獻

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