壓氣機輪盤簡化結構強度的數(shù)值仿真分析

付為剛 姚裕隆 裴少坤 陳俊杰

摘要：背景：壓氣機輪盤是發(fā)動機的重要組件，工作環(huán)境的應力條件復雜，其結構性能對發(fā)動機工作將產(chǎn)生很大的影響。目的：針對發(fā)動機輪盤進行受力分析，有利于進行輪盤結構優(yōu)化設計，進而提高發(fā)動機推重比。方法：本文采用理論分析與有限元仿真相結合，基于對稱假設下的輪盤簡化結構強度給出徑向與周向最大應力的理論解。同時，運用有限元軟件ANSYS獲得對應的數(shù)值仿真解。結論：經(jīng)理論解與仿真解對比分析表明，本文提供的方法可用于壓氣機輪盤簡化結構強度的求解分析。

Abstract： Background： the compressor disk is an important component of the engine， the stress condition of the working environment is complex， its structure and performance will have a great impact on the engine. The purpose of this paper is to analyze the force on the engine disk， which is conducive to the optimization design of the disk structure， and then improve the thrust-weight ratio of the engine. The method of this paper： in this paper， theoretical analysis and finite element simulation are combined， and the theoretical solutions of radial and circumferential maximum stress are given based on the simplified structural strength of the disk under the assumption of symmetry. At the same time， the corresponding numerical simulation solution is obtained by using the finite element software ANSYS. The conclusion of this paper： the comparison between theoretical solution and simulation solution shows that the method presented in this paper can be used to solve and analyze the simplified structure strength of compressor disk.

關鍵詞：壓氣機輪盤;強度;數(shù)值仿真;有限元法

Key words： compressor disk;strength;numerical simulation;finite element

中圖分類號：V231.91? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0042-02

0? 引言

壓氣機輪盤是航空發(fā)動機的關鍵部件，其工作環(huán)境復雜且承受極端載荷。因而其應力分析和結構設計是航空發(fā)動機設計的難點[1]。文中根據(jù)發(fā)動機相應的結構設計準則[2]，分別計算輪盤不同工作環(huán)境下徑向/周向最大應力的理論解。其次，運用有限元軟件ANSYS仿真分析得出了輪盤徑向/周向最大應力的仿真解[3]。通過對比分析驗證了由有限元軟件ANSYS仿真分析計算出的輪盤徑向/周向最大應力的精確性。

1? 壓氣機輪盤簡化結構強度的理論解

輪盤實體結構模型在進行理論求解計算時需要針對輪盤結構進行假設簡化。

1.1 微元體簡化假設

①軸對稱假設：包括幾何形狀，載荷分布以及溫度場等;②平面應力假設：大多數(shù)輪盤的外徑與厚度相比是比較大的。故而通常將輪盤當成“薄盤”處理，因此載荷分布與溫度場等沿軸向是不變的;③彈性假設：認為輪盤材料處于彈性狀態(tài)，暫不考慮塑性變形;④輪盤外緣等效載荷假設：主要考慮安裝在輪盤外緣上的葉片質(zhì)量離心力以及輪盤本身的離心力[6]，假定輪盤外緣周向應力為均勻分布。

按上述假設條件，選定圓柱坐標系，在輪盤中取一微元體如圖1所示。由夾角為dθ的兩條半徑線和兩個圓柱面（其半徑分別為r與r+dr）所圍成。在內(nèi)圓柱面上作用有徑向應力σr;外圓柱面上作用有徑向應力σr+dσr;在兩個徑向側面上作用有周向應力σθ（在微元體內(nèi)假設σθ是均勻分布的），在微元體重心處作用有質(zhì)量離心力dC。

1.2 等溫實心等厚輪盤強度的理論解

2? 等溫實心等厚盤應力有限元分析

對簡化輪盤應力的有限元分析主要分為兩個方面，首先是實體模型的前處理，包括針對實體的建模、網(wǎng)格劃分、加載和求解;其次是針對實體模型的后處理，包括瀏覽分析結果、查看應變和應力等。

如圖2（a）所示，經(jīng)過仿真分析得，無外載荷等溫實心等厚盤最大應力為106MPa。

如圖2（b）所示，經(jīng)過仿真分析得，有外載荷等溫實心等厚盤最大應力為203MPa。

3? 理論解與仿真解的對比

無外載荷的等溫實心等厚盤簡化結構誤差：

有外載荷的等溫實心等厚盤簡化結構誤差：

由此可知有限元分析法對壓氣機輪盤的應力分析是比較準確的。

由理論值和有限元計算值對比可以看出在實際的工作中輪盤承受外載荷會使應力增大，同時由輪盤的整體應力云圖可以看出其最大受力部位在輪盤的內(nèi)徑處。通過優(yōu)化輪盤結構尺寸調(diào)整輪盤結構應力分布，可在滿足結構強度設計需求前提下實現(xiàn)結構輕量化設計。

4? 總結

本文分別從理論求解與有限元仿真分析兩個角度，研究了壓氣機輪盤簡化結構的強度值。經(jīng)對比分析表明，有限元數(shù)值求解結果精度高，可為輪盤簡化結構強度分析及輪盤結構輕量化設計提供參考。

參考文獻：

[1]陸山，李倫末.航空發(fā)動機高負荷渦輪盤雙輻板結構優(yōu)化設計[J].推進技術，2011，32（5）：631-636.

[2]航空渦噴、渦扇發(fā)動機結構設計準則（研究報告）（第二冊）：輪盤[R].中國航空工業(yè)總公司發(fā)動機系統(tǒng)工程局，1997.

[3]劉浩，等.ANSYS15.0有限元分析從入門到精通[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2014.

[4]任重.ANSYS實用分析教程[M].北京：北京大學出版社，2003.

[5]博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術及應用實例[M]. 北京：中國水利水電出版社，2004.

[6]范志強，馬枚，王榮橋.航空發(fā)動機整體葉盤優(yōu)化設計[J]. 燃燒渦輪試驗與研究，2000，13（4）.

[7]王煥定，吳德倫，等.有限單元法及計算程序[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[8]尹澤勇.航空發(fā)動機設計手冊第18冊，葉片輪盤及主軸強度分析[M].北京：航空工業(yè)出版社2001.