基于有限元仿真的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口整流結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

曹婷 胡碧陽 李杰

摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口整流結(jié)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的延續(xù)，它處在發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口的外圍，對發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣起到一定的整流作用，按照現(xiàn)有飛機(jī)的布局約束，該處結(jié)構(gòu)形成尖角區(qū)，存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，導(dǎo)致外場使用過程極易產(chǎn)生裂紋。本文通過對該發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口整流結(jié)構(gòu)優(yōu)化及有限元分析，使其剛度、強(qiáng)度提升，應(yīng)力集中區(qū)明顯減少，降低裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，滿足外場飛行要求。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口;整流結(jié)構(gòu);裂紋;有限元分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0? 引言

此發(fā)動(dòng)機(jī)短艙發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口整流結(jié)構(gòu)的總體布局、結(jié)構(gòu)布局及形式與其它飛機(jī)無繼承性，由于受發(fā)動(dòng)機(jī)影響，該部位振動(dòng)較大，受力復(fù)雜，根據(jù)用戶使用的故障統(tǒng)計(jì)情況反饋，已裝機(jī)件發(fā)現(xiàn)有不同程度的問題，為保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，有必要對發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口整流結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其在滿足剛度、強(qiáng)度的前提下，滿足訂貨方的飛行要求。

1? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 問題描述

發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口整流結(jié)構(gòu)的目的在于對發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣起到整流作用，同時(shí)對機(jī)身起到保護(hù)作用。飛行中承受發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的高溫，且氣流復(fù)雜，振動(dòng)較大。因此，主要零件材料均采用0Cr18Ni9不銹鋼。結(jié)構(gòu)形式由不銹鋼的環(huán)形框、兩個(gè)機(jī)加的支承框、以及長桁、蒙皮等組成。

裝配時(shí)，環(huán)形框及蒙皮采用焊接工藝方法組裝，并用螺釘固定在發(fā)動(dòng)機(jī)短艙框上，長桁、隔框與蒙皮采用鉚釘連接，與機(jī)身側(cè)壁通過角材采用螺釘連接，后端布置有加強(qiáng)框，采用螺釘與后部整流結(jié)構(gòu)連接。根據(jù)用戶飛機(jī)使用情況反饋的數(shù)據(jù)顯示，焊縫交匯的尖角區(qū)裂紋最長達(dá)50mm，位置如圖1所示。

1.2 原因分析

從結(jié)構(gòu)布局分析：裂紋多發(fā)區(qū)域的結(jié)構(gòu)形式為上下各三塊蒙皮焊縫焊接為一體，兩條焊縫的交點(diǎn)處形成尖點(diǎn)。尖角區(qū)飛行時(shí)受氣動(dòng)力和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的影響，產(chǎn)生了嚴(yán)重的應(yīng)力集中，加之焊縫的殘余應(yīng)力和焊接缺陷的存在，加劇了焊接結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)疲勞破壞，產(chǎn)生撕裂。此外，由于尖角區(qū)域內(nèi)部空間狹小，工藝上無法補(bǔ)償支撐，剛性差，也會(huì)進(jìn)一步加速裂紋產(chǎn)生。因此，綜合結(jié)構(gòu)布局分析，認(rèn)為該處裂紋的產(chǎn)生主要是由于振動(dòng)、應(yīng)力集中及焊縫承載力下降所導(dǎo)致。

從支撐剛度角度分析：該整流結(jié)構(gòu)兩段對接處的加強(qiáng)框?yàn)楦】蛟O(shè)計(jì)，即加強(qiáng)框浮于長桁上，通過連接角片實(shí)現(xiàn)浮框與蒙皮、長桁形成的壁板結(jié)構(gòu)的傳力，剛性較差、局部支撐不足，使得浮框處易受振動(dòng)的影響，整體剛性和局部加強(qiáng)效果都不甚理想，帶來振動(dòng)加劇。

1.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

結(jié)合上述分析，將發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口整流結(jié)構(gòu)優(yōu)化部位確定為三方面：蒙皮的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、尖角區(qū)域結(jié)構(gòu)優(yōu)化及加強(qiáng)框結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1.3.1 針對應(yīng)力集中優(yōu)化

在滿足工藝能力前提下，將原結(jié)構(gòu)上下表面分塊設(shè)計(jì)的兩塊蒙皮設(shè)計(jì)為整體式蒙皮，減少多余焊縫，消除焊縫應(yīng)力的影響，降低了原始缺陷的產(chǎn)生，同時(shí)將裂紋產(chǎn)生較多的尖角區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行分塊處理，采用緊固件與周圍結(jié)構(gòu)連接，并對尖角區(qū)域采用大圓角過渡優(yōu)化，消除尖角區(qū)域的應(yīng)力集中。

1.3.2 針對剛度優(yōu)化

將原結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)框進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及連接優(yōu)化，使其直接與蒙皮連接，框腹板上開長桁缺口，同時(shí)增加角片用于連接浮框與長桁，使結(jié)構(gòu)在受振動(dòng)影響時(shí)保證力傳遞的連續(xù)性，提升骨架結(jié)構(gòu)的整體剛性。

1.4 有限元優(yōu)化分析

此次優(yōu)化采用Hype Mesh軟件前處理建模，應(yīng)用Abaqus求解器進(jìn)行氣動(dòng)載荷分析。由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)復(fù)雜，目前無準(zhǔn)確的振動(dòng)載荷數(shù)據(jù)，此次有限元分析主要進(jìn)行氣動(dòng)載荷工況下的靜力分析。

通過對模型網(wǎng)格劃分，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口整流結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和剛度特性，簡化時(shí)，模型中框、長桁、蒙皮等薄板件采用殼單元，鉚釘、焊接等連接件采用rbe3+cbar+rbe3方式模擬。設(shè)定邊界條件（整流結(jié)構(gòu)與機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙框連接均是螺接，模型中將該連接區(qū)邊界條件設(shè)為固定約束）和氣動(dòng)載荷（0.01648MPa，按均布載荷進(jìn)行加載），對建立的有限元模型先進(jìn)行了12階整體模態(tài)分析校核，確定了使用的有限元模型各零部件的連接可靠、有效。

確定了有限元簡化模型的可靠性，進(jìn)而按給定的邊界條件及氣動(dòng)加載進(jìn)行了整體的氣動(dòng)載荷工況下的靜力學(xué)分析，分析結(jié)果見圖2、圖3、圖4。

對于加強(qiáng)框下沉改進(jìn)的優(yōu)化，分析結(jié)果見圖5。

綜合以上分析：不銹鋼0Cr18Ni9的強(qiáng)度極限為σb=530MPa，對于裂紋多發(fā)的尖角區(qū)域結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后相比，應(yīng)力值從416MPa降至18MPa，裂紋部位的剩余強(qiáng)度系數(shù)提升了30%，裂紋多發(fā)部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯消除，比原結(jié)構(gòu)有了明顯改善;而且改進(jìn)后的加強(qiáng)框在氣動(dòng)載荷工況下變形均勻，與改進(jìn)前相比加強(qiáng)框剛度明顯提升。

2? 結(jié)束語

綜上所述，改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口整流結(jié)構(gòu)在尖角區(qū)幾乎不存在應(yīng)力集中，說明優(yōu)化后較優(yōu)化前，應(yīng)力集中部位已經(jīng)極大的得到改善，強(qiáng)度、剛度均有一定提升，因此認(rèn)為改進(jìn)后的效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于先前，與實(shí)際應(yīng)用效果相符。因此，此項(xiàng)改進(jìn)對于飛行保障提供了更加穩(wěn)定的技術(shù)支持，帶來了較好的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。

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