基于思維導圖方法的復合材料中介機匣設計

楊 帆，方 浩，趙普揚

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

中介機匣是渦扇發動機中連接風扇和高壓壓氣機的重要過渡通道和主要承力部件[1-2]。某型發動機中介機匣當前的全鈦合金結構質量嚴重超出了總體專業給定的質量指標，國外在中介機匣上較常見的減質設計方法是采用薄壁件焊接結構，但由于該型發動機與飛機的連接形式與國外并不一致，其主安裝節機構設置在中介機匣上，因此從結構強度角度考慮該中介機匣并不適用焊接結構。另一類中介機匣減質設計方法是采用復合材料和鈦合金復合結構，這種方法目前國內外研究資料并不常見，主要難點1是如何將復合材料和金屬材料適當搭配，即達到減質目標，又能滿足中介機匣強度要求；難點2是在當前中國航空發動機領域復合材料的性能參數和工藝水平較低的情況下，如何最大限度規避復合材料的缺點。本文采取思維導圖的設計方法，構建了復合材料中介機匣結構設計的圖形化脈絡，隨之確立了改進結構的設計準則，進而完成復合材料中介機匣結構設計。

1 構建思維導圖

思維導圖是英國著名心理學家托尼·巴贊（Tony Buzan）在研究大腦的力量和潛能過程中，于20世紀60年代初期所創，是1種將放射性思維具體化的方法。構建思維導圖應有1個中心概念，并由此中心概念向外引申出2～8個與其相關的知識要點，即形成一個個分枝，在每一分枝上都賦以不同概念的關鍵詞，再由每一分枝的要點向外散出2～8個相關的知識要點，以此類推，形成1個樹狀的結構圖，結構圖可以用不同色彩和圖像來表示。思維導圖作為1種圖文并茂的有效工具，開啟了人類大腦的無限潛能[3-4]。

Mindmanager是Mindjet公司開發的1款實現思維導圖的可視化軟件工具，提供給用戶更有效和電子化的手段來捕捉、組織信息和想法[3]。將“復合材料中介機匣結構設計”作為1個系統問題，在深刻理解原有全鈦合金機匣結構的基礎上[5-7]，利用Mindmanager軟件展示該問題的層次關系，如圖1所示。

圖1 復合材料中介機匣結構設計思維導圖

將思維導圖中“復合材料中介機匣結構設計”作為中心主題，可分解出3項次主題:復合材料、中介機匣和結構設計。對這3項次主題進一步分解和發散，形成許多更低層次的分枝內容，并標示出各分枝間的相互關系，便于分析和總結，形成在現有材料和工藝條件下，具有工程實際的、可行的復合材料中介機匣結構設計準則。

2 設計準則

依照如圖1所示的思維導圖的分析，在中介機匣分枝中最重要的功能是主承力框架，表明中介機匣主要承受發動機工作時的氣動載荷和飛機機動飛行時的機動載荷，依據飛機和發動機的多種不同工況進行排列組合。作用在中介機匣上的這2類載荷狀態合計有20多種，屬于典型的多軸載荷[1,8]，使仿真計算變得十分困難。另外，吸取之前復合材料機匣設計、加工和使用的經驗教訓，就中國目前復合材料的現狀來說，復合材料還不能擔任主要的承載角色，特別是在中介機匣這種多軸載荷復雜且交變的部件上，因此，得到的設計準則之一就是復合材料不能設置在中介機匣的主要傳力路徑上，即不能作為主承力結構。具體來說，復合材料要避免在中介機匣與風扇以及高壓壓氣機的連接部位、各傳力支板、中介機匣與中央傳動組件以及外部附件等連接部位、中介機匣主安裝節、中介機匣輔助吊點等部位上使用。

另外，通過思維導圖分析，在“結構設計”分枝中需要保證中介機匣的靜強度和疲勞壽命，因此，得到第2條設計準則就是復合材料可以用于中介機匣應力水平較低的部位即次承力結構上。因此，需要按照原有全鈦合金機匣的靜強度應力（如圖2所示），查找出應力水平較低的部位，合理利用結構設計，實現復合材料替換使用并保證其可靠使用的目的。

圖2 鈦合金中介機匣靜強度應力

3 具體實施

3.1 結構設計

因加工方法的差異，傳統的中介機匣結構形式可分為3種:整體精密鑄造、焊接結構、焊接與裝配相結合。3種形式的中介機匣各有其優缺點[9-11]，但顯然與復合材料的材料特性都不能很好匹配，因此，需要設計1種既要適應復合材料特性，也能夠遵循上述2條結構設計準則的中介機匣結構。依據中介機匣和復合材料加工制造的工藝特點[12]，以及目前中國復合材料發展的現狀，最終選擇了裝配式結構。在中介機匣的低應力區域，且非傳力路徑上裝配復合材料，主傳力路徑上依舊采用金屬材料，復合材料與金屬基體間采用螺栓連接等結構，具體結構設計如圖3所示。

圖3 復合材料中介機匣結構設計

圖中所示的外機匣1、支板型芯3和內機匣7均處在中介機匣的主傳力路徑上，根據設計準則第1條，都應使用鈦合金材料。且支板型芯3的上、下兩端均設計有連接螺栓孔，與外機匣1及內機匣7分別連接，形成完整的主傳力路徑。考慮到之前復合材料機匣的失敗經驗和中介機匣分流環的結構特點[13]，每2塊支板之間的分流環采用鈦合金分流環支架5與復合材料分流環6的裝配式結構，分流環支架的左、右兩端設計有安裝邊，與相鄰支板型芯上的螺栓孔配合，連接成一體，后端則與高壓壓氣機連接。這樣既能減輕質量，又能保證分流環安全可靠。其余中介機匣上應力水平較低的部位，例如圖中的外機匣蒙皮2、支板蒙皮4和內機匣蒙皮8等，適用設計準則第2條，采用復合材料。這種裝配式結構既保證了不破壞中介機匣主傳力路徑，也保證了中介機匣與風扇、壓氣機、中央傳動及軸承組件的可靠連接，合理使用復合材料減輕部件質量，據估算可以減輕約8%，最終實現總體專業給定的質量指標。

3.2 強度計算

對整體鑄造金屬中介機匣和復合材料中介機匣進行簡單的強度對比計算，復合材料中介機匣最大等效應力比金屬中介機匣的升高了1.7%，復合材料中介機匣最大變形量比金屬中介機匣的增加了2.2%，因此，可以認為復合材料中介機匣的剛度稍弱于金屬中介機匣的。

另外，還對比計算了2種中介機匣的固有模態頻率，結果如圖4所示。從圖中可見，2種中介機匣的固有模態變化不大。

當然上述計算均建立在簡化復合材料性能的基礎上，因此存在一定的計算誤差，但依據計算結果和趨勢分析可見，這種由思維導圖發散而來的復合材料中介機匣結構設計方法是切實可行的，且具有一定的工程可實現性。

圖4 金屬中介機匣和復合材料中介機匣模態對比

4 技術展望

上文所述的裝配式結構是吸取了之前復合材料機匣的失敗經驗，并考慮了目前中國復合材料發展水平的1種“折中”設計手段。既有限度的使用了復合材料以滿足減質要求，又保證了中介機匣的安全可靠。不過從實際工程應用來看，由于主要流道件均采用復合材料，短時間使用沒有問題，在長期使用過程中還需重點關注和考察復合材料的耐沖刷等材料性能。

隨著中國復合材料研制的深入，復合材料的技術成熟度已有較大提升，后續可以利用拓撲優化的方法，依據中介機匣強度仿真計算結果，并參照F119發動機的結構[14-15]，將主要承力部件逐步用復合材料替代，進一步增加復合材料的使用比例，并可以利用較成熟的增材制造方法，實現中介機匣復雜的內部結構，從而大幅度降低中介機匣的質量，提升整機推重比。這一發展思路也符合國際復合材料在飛機和發動機領域由次承力結構向主承力結構遞進的應用脈絡，如圖5所示。

圖5 波音和空客公司飛機使用復合材料比例

5 結束語

按照思維導圖的方法，分析了“復合材料中介機匣結構設計”這一中心主題，逐級分解得到各級低層次分枝，并通過分析各層次分枝之間的相互關系，總結出2條現階段復合材料中介機匣結構設計的設計準則。依據這2條設計準則完成了1種裝配式復合材料中介機匣結構設計，達到了預期的減質效果，實現了總體專業給定的質量指標，并為后續復合材料中介機匣結構設計的深入研究提供了1種設計思路。