風車狀態下翼下吊架強度與振動分析方法研究

鞠明明，漆文凱，張嘉東

(南京航空航天大學 能源與動力學院， 南京 210016)

翼下吊架是大型飛機發動機與機翼的連接部件，主要用于傳遞發動機的載荷。隨著我國飛機事業的發展，對于吊架的研究越來越深入。Thomas R H[1]介紹了一種研究吊架氣動載荷特點的數值仿真方法；OLIVEIRA G等[2]針對ERJ145飛機吊架，采用CFD數值仿真方法，分析了吊架溫度場引起的結構應力并進行了相關試驗驗證；KO A等[3]采用多學科分析方法和CFD仿真方法，分析了在跨聲速條件下懸臂梁飛機吊架受機翼、梁相互干擾引起的氣動載荷特點；薛彩軍等[4]設計了一套吊架部段靜力試驗系統，采用載荷偏移與力偶施加相結合的方法，測試了3種危險工況載荷；宋波濤等[5]利用ANSYS軟件建立吊架等效模型，在3種工況下分析了吊架結構的減振特性。而對于渦扇發動機來說，除了正常工作狀態的載荷外，還有風車狀態這一特殊狀態下的載荷。LIM S K等[6]建立了一種基于發動機轉速和質量流量的雙轉子發動機風車狀態性能預測方法；ZACHOS P K[7]采用無量綱系數來描述風車狀態特性，提出了一種預測風車內流阻力的方法，并進行了試驗驗證；AIAA等[8-14]介紹了不同類型渦扇發動機風車狀態下的各種載荷，包括阻力載荷和振動載荷。章仕彪[15]論述了吊架強度設計要求，并給出了不同載荷條件下的吊架可靠性評價方法；唐兆田等[16]根據適航要求并結合風車載荷情況的特點，得出了適用于風車載荷條件下飛機強度的評定方法。

本文中建立了翼下吊架有限元模型，明確各個正常工況載荷，并對風車狀態載荷進行了深入研究。在各種載荷工況組合下，建立一種吊架結構強度和振動特性研究方法，為吊架的設計提供一定的理論指導。

1 翼下吊架有限元參數化模型

對于大型飛機來說，翼下吊架是連接發動機與機翼的連接部件，主要分為3種結構形式[17]：阻力支柱式、盒式梁式和超靜定式。選取超靜定結構形式，在UG中建立吊架的參數化實體模型，然后導入到Workbench中進行有限元網格的劃分，得到有限元參數化模型，如圖1所示。

圖1 翼下吊架有限元參數化模型

選取Solid185單元，節點個數為561 591，單元個數為114 679，材料為鈦合金Ti-6Al-4V，彈性模量為118 GPa，泊松比為0.31，屈服強度為896.4 MPa。其中A、C兩點為上接頭和下接頭，通過連桿與機翼相連；B為2個中間接頭，直接與機翼連接；D為2個側向接頭，通過連桿與機翼相連。G點為發動機后掛點，包括4個抗拉螺栓和1個剪切銷；E為發動機前掛點的左右2個吊耳，F為冗余結構掛點。

2 風車狀態載荷

發動機由正常狀態進入風車狀態時，可以分為2個階段[15]：第1階段為瞬態風車階段(高能階段)，此時發動機未停車，通常持續幾秒至幾十秒；第2階段為持續風車階段(風車階段)，發動機已停車，葉片在氣流作用下仍然轉動。

2.1 瞬態風車載荷

瞬態風車載荷是指發動機由正常工作狀態到風車狀態的過渡階段所產生的載荷，此時發動機未完全停止工作，主要包括瞬態沖擊載荷和轉子卡滯載荷。

瞬態沖擊載荷是指渦扇發動機葉片由于各種原因發生破裂，破損的葉片碎片會由于其高度性能而飛出，產生一個瞬態沖擊載荷，這個載荷通過發動機傳遞到吊架的安裝節處。碎片的大小不同，脫落角度不同，產生的沖擊載荷也會不同。在這里給出一個沖擊載荷計算公式：

(1)

式中：F為沖擊載荷；m為碎片質量；n(r/min)為轉子轉速；R為脫落處距離中心轉軸的半徑;t為脫落時間。

轉子卡滯載荷是指渦輪葉片由于外界原因(缺少潤滑、溫度場不均勻、導向器變形、轉子失衡)導致葉片轉速下降而產生的與轉子轉速反向的力偶。卡滯載荷作用在葉片安裝節處，載荷大小與轉速和轉動慣量相關，計算公式如下：

(2)

式中：M為卡滯載荷；JX為葉片轉動慣量；ω1為初始轉速；ω2為終止轉速；t0為卡滯時間。

轉子卡滯與時間歷程有很大關系，時間越短產生的力矩就越大，特別當轉子瞬間卡死時，會產生非常大的扭矩，甚至能把安裝軸扭斷。卡滯產生的扭矩會通過轉子支撐體系傳到機匣，再傳到發動機的安裝節上。

2.2 持續風車載荷

持續風車載荷產生在發動機已完全進入風車狀態的情況下，此時發動機已完全停止工作，轉速降低到了穩定的風車轉速，載荷主要包括風車阻力載荷和風車不平衡振動載荷。

風車阻力載荷是風車狀態下，由于空氣對發動機的阻礙作用而產生的。對于渦扇發動機來說，飛行馬赫數Ma越大，風車阻力越大。下面給出一個風車阻力計算公式：

(3)

其中：ΔDW為風車阻力；ΔCDW為風車阻力系數，一般為0.001～0.015[18]；ρ為空氣密度；SW為發動機迎風面積。

飛行馬赫數增大，速度沖壓壓比迅速增大，渦輪可以有更大的膨脹比產生渦輪功帶動壓氣機，所以風車轉速隨飛行速度的增加而增加。對于大涵道比渦扇發動機來說，外涵道流動阻力相對于內涵道要小得多，所以在風車狀態下，大量空氣從外涵道流過，如設計涵道比在56的發動機，風車狀態下涵道比可達80∶1。風扇葉片處于大的負攻角狀態工作，負荷極輕。

風車振動載荷發生在穩態風車工況下，使轉子輪盤破裂進入風車狀態，由于質量偏心而產生偏心振動，與偏心質量和轉速有關。激勵頻率在一定頻率內[16](一般可能為0～150 Hz)連續變化，理論上存在無數個頻率點，每個頻率點對應一套完整的動載荷。直接將全部動載荷用于結構的強度計算是不現實的，因此采用載荷系數的方法編制載荷譜。圖2是某型渦扇發動機空中停車導致的風車不平衡振動加速度譜，是由飛機飛行實測載荷統計數據得出的[9]。

圖2 風車不平衡振動加速度譜

表1 風車載荷頻譜

3 吊架強度與振動計算分析

3.1 邊界條件

在Workbench軟件中，對吊架的有限元模型的上接頭A、中接頭B、后接頭C的位移約束為X、Y、Z三個方向上為0，繞X、Y方向角度約束為0，繞Z方向為自由約束；側接頭D的位移約束為X、Y、Z三個方向上為0，繞Y、Z方向角度約束為0，繞X方向為自由約束。

發動機本身慣性由E、G兩處共同承擔，推力由后掛點G處承擔。因此，X方向載荷由發動機后掛點G來承擔，Y和Z方向載荷由前、后掛點共同承擔，前、后掛點承擔的載荷比例根據具體發動機型號的重心位置和安裝位置決定。

3.2 多工況靜強度計算與分析

根據飛機飛行的各種工況，列出以下幾種載荷工況[4,15]。其中1g表示發動機慣性1倍過載，本文中選取的發動機CFM56-3B-1型號，最大推力為92.50 kN，自質量為2 403 kg。根據CCAR-25-R4§25.303條，對于推力載荷取1.5安全系數，極限載荷可不取安全系數。

表2為吊架承受的正常工況載荷，工況1001和1002為發動機沿X方向的極限慣性載荷，工況1003和1004為轉彎極限載荷，工況1005和1007為Z向極限載荷，工況1006和1008為最大推力狀態下Z向最大極限載荷。其中，根據發動機的重心位置和安裝位置，取前、后掛點承擔的載荷比例為2∶1[20]。

在Workbench中計算以上8個正常工況組合，得到的應力和形變結果如表3所示。

表2 吊架正常工況載荷

表3 吊架正常工況計算結果

由表3可以得出：各工況中，最大應力為527.60 MPa，小于材料屈服強度827 MPa，因此吊架是安全的。而且在各個工況中，最大應力都發生在吊架側向接頭或后接頭處，最大位移都發生在發動機前掛點。因此，應對應力集中處進行適當強化，例如添加加強筋或者增加材料厚度等；對于形變較大的前掛點，最大位移為8.305 5 mm，應適當提高結構的允許形變距離，保證結構的安全性。

3.3 風車工況計算與分析

根據風車工況的載荷特點，取3.1中的邊界條件，并以單位力沖擊載荷或單位扭矩載荷作為載荷工況邊界，作用時間[15]取0.027 s,對吊架結構進行強度分析與計算。

根據吊架結構屈服極限為827 MPa，結合圖3、4的計算結果，得出各個方向上所能承受的最大載荷。

圖3 單位力沖擊載荷應力變化

圖4 單位扭矩載荷應力變化

邊界條件單位力載荷/N單位扭矩載荷/(N·m)X2.05×1064.26×104Y2.67×1051.74×105Z7.07×1051.37×105

表4中，吊架各個方向上能承受的極限載荷是不同的，其中X方向能承受的極限載荷最大，表明在推力方向，吊架結構具有很好的強度特性，能很好地傳遞發動機的推理載荷。X方向上的扭矩極限載荷最小，這是因為吊架的發動機前掛點位置的寬度小于吊架結構的長度，且對于翼吊式飛機來說，慣性載荷大多是俯仰和轉彎慣性載荷，因此該方向上的扭矩極限載荷滿足本身吊架的結構強度。

根據圖2的風車狀態振動載荷譜，在Workbench中對吊架結構模型進行分析計算，得到的吊架位移響應結果如圖5所示。

圖5 風車振動載荷位移響應

從圖5中可以看出：在風車外載荷譜的激勵下，最大位移響應發生在吊架發動機前掛點附近。由于本文中的吊架模型是一個近似對稱模型，所以吊架的位移響應相對于中截面是對稱的，且越靠近發動機前掛點，位移響應值越大。

為了驗證風車振動載荷形變的合理性，根據圖2風車振動載荷的載荷譜，選取峰值振動頻率，計算峰值頻率下吊架的位移響應，結果如表5所示。

表5 峰值頻率下吊架位移響應

由表5可以看出：在峰值頻率下，吊架產生的最大形變在40 Hz處，且位置為吊架發動機前掛點附近，與圖5中的最大位移響應位置相吻合。發動機頻率與轉子轉速有關，吊架本身固有頻率在Workbench中進行計算，得出前5階為30.909、53.21、83.707、121.3、187.36 Hz。與圖2中的峰值頻率進行對比分析，結果表明：發動機峰值頻率與吊架結構本身固有頻率相差很大，不會產生共振。

4 結束語

1) 參考已有的翼下吊架結構形式，改進設計了一種后傳扭的超靜定式吊架結構有限元模型，能更好地傳遞發動機的載荷；

2) 對風車工況這種非正常工況進行了載荷研究，并根據載荷特點進行了分類，根據風車的時間歷程，結合CCAR-25的相關規定，分為瞬態風車載荷和持續風車載荷；

3) 在正常工況和風車工況下，對吊架模型進行了強度和振動特性研究，建立了一種多工況條件下吊架載荷傳遞響應分析方法，并對該方法進行了驗證；

4) 發動機載荷通過吊架傳遞到飛機機翼，最終傳遞到機身，本文方法可用于研究吊架載荷傳遞的強度和振動特性，同時對吊架本身的結構設計有重要的參考意義。

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