某型航空发动机中介机匣分流环插接安装的脱开失效载荷分析

刘长春，廖连芳，邵丕仁，安中彦

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

某型航空发动机中介机匣分流环插接安装的脱开失效载荷分析

刘长春，廖连芳，邵丕仁，安中彦

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

采用有限元分析软件Ansys对某型航空发动机中介机匣分流环插接安装的脱开失效载荷进行了分析，对其中涉及的有限元计算中的非线性问题进行了简化，将状态非线性转化为位移边界条件，只考虑材料非线性，提高了计算效率。经试验验证表明：这种简化计算方法合理可行，能够为该结构的设计提供有意义的参考。

有限元；材料非线性；状态非线性；边界条件；失效载荷；中介机匣；分流环；航空发动机

0 引言

某型航空发动机中介机匣采用钛合金整体铸造结构，而其上安装的分流环由6块扇形块组成，分布于中介机匣的6块支板之间，与各支板上的支臂共同形成发动机内、外涵分界面，将来自风扇的气流分成内涵和外涵2股。每块分流环扇形块后安装边与中介机匣固定环及高压压气机前机匣前安装边之间通过螺栓连成一体；而分流环两侧与相邻支板支臂涂胶搭接,这种分流环与中介机匣支板支臂插接的安装方式必然存在在大载荷作用下脱开的情况，因此需要对分流环从中介机匣支板支臂上脱开的载荷进行计算分析。

采用有限元程序对中介机匣分流环的脱开载荷进行计算分析时，必然涉及状态非线性和材料非线性问题，这就造成在计算过程中产生收敛速度较慢甚至不收敛的问题，无法满足工程设计高速、高效、高精度的要求。

本文根据分流环与中介机匣的安装方式，将状态非线性转化为边界条件，只考虑材料非线性，大大简化了计算过程，节省了计算时间，提高了计算效率。

1 模型简化

分流环结构及分流环在中介机匣上的安装方式如图1所示。分流环后安装边、中介机匣安装边和高压压气机前机匣前安装边通过螺栓连接在一起，因此分析分流环的脱开载荷时，应该考虑分流环、中介机匣和高压压气机前机匣3个部件。同时考虑到计算上的可实施性、计算效率以及计算结果的有效性，采取以下方式进行计算分析：

（1）中介机匣以及高压压气机前机匣整个结构是近似对称的，因此选取整个组件结构的1/6作为计算模型；

（2）由于分流环和高压压气机前机匣都为薄壁结构，因此可采用有限单元法中的壳单元进行计算分析；

（3）分流环从中介机匣支板支臂上脱开会有大变形以及残余变形，因此采用材料弹塑性计算方法计算；

（4）分流环从中介机匣支板支臂上脱开为状态非线性中的接触问题，为了提高计算效率，将脱开过程看成分流环的搭接边在径向方向没有变形，而在周向和轴向方向有变形，且周向变形大于分流环的搭接量时，分流环从中介机匣支板支臂上脱开。这样就将状态非线性接触问题转化为位移边界条件，只考虑材料非线性问题，大大节约了计算时

间，提高了计算效率。

采用上述方式得到

的有限元计算模型如图2所示。

中介机匣分流环承受的最主要载荷为气动载荷，即分流环的内、外表面承受来自风扇的气流压力。在这里仅考虑内、外表面的气压差，因此分析模型的载荷只需要在分流环内表面施加压力差。

2 计算结果及试验验证

2.1 计算结果

脱开主要表现为模型中分流环侧边的周向变形大于设计的分流环搭接量，即分流环侧边的周向变形大于搭接量时，分流环就会从中介机匣支板支臂上脱开。分流环的脱开载荷计算结果见表1，不同搭接量时的脱开载荷如图3所示。搭接量分别为5.9、7.6和10.5m m时的脱开载荷分别为0.39、0.42和0.45M P a。

表1 分流环的脱开载荷计算结果

由计算结果可知，随着搭接量的增大，脱开载荷也增大，但是脱开载荷同搭接量成非线性关系，即随着搭接量的线性增大，脱开载荷的增量逐渐减少。也就是说，分流环的变形随着载荷的增大，开始时按线性规律增大，但后来是按非线性规律大幅增大，最后分流环大面积进入塑性，此时再增大搭接量已不能明显提高承载能力。由此可以推得这种结构的分流环的最大承载能力为0.50M P a。

2.2 试验验证

分流环脱开载荷的试验验证装置如图4所示。分流环插入中介机匣支板支臂后，其后安装边通过中介机匣后法兰边固定在高压压气机前机匣前安装边上，高压压气机前机匣后端面固定在基础平台上。用上、下2块密封板与分流环两侧支板和中介机匣内环组成密闭腔，腔内放置气囊，由压缩机供给压力。

采用这种试验装置对6个分流环进行了静压试验。试验结果为：搭接量为6～10m m时，脱开载荷为0.380～0.46 7M P a。在不同压差载荷作用下的分流环外涵中部的径向位移，的试验结果与计算结果对比如图5所示。从图中可以发现二者拟合较好。这说明计算模型简化合理可行，能够模拟实际情况。

3 结束语

利用有限元计算程序计算非线性问题一直以来都是工程计算的难点，特别是涉及多个非线性问题时，采用有限元计算耗时很长，有时甚至无法收敛。对于工程问题，大多要求在非常短的时间给出有效解，因此对于多个非线性问题就有必要进行适当简化，以节约计算时间，提高计算效率。本文采用Ansys计算程序分析了某型航空发动机中介机匣分流环的失效载荷，在计算过程中将接触问题转化为位移边界条件，避免了接触问题的解不收敛，同时大大节约了计算时间，提高了计算效率。经过试验验证可知，这种简化方法完全可行，可以用此计算方法和计算模型优化分流环各部件参数，为该结构的设计改进提供及时有效的建议。

[1]张朝晖.ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析 [M].北京：机械工业出版社，2008：26 3-498.

[2]谢贻权，何福保.弹性和塑性力学中的有限单元法[M].北京：机械工业出版社，1988：177-220.

[3]万江艳.轮盘模拟件破裂试验及其有限元描述 [J].航空发动机,2008,34（2）：19-21.

Invalidation Load Analysis of Splicing Detachment for an Aeroengine Intermediate Case Splitter

LIU Chang-chun,LIAO Lian-fang,SHAO Pi-ren,AN Zhong-yan
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institue,Shenyang 110015,China）

The invalidation load of splicing detachmentwas analyzed by Ansys program for an aeroengine intermediate case splitter.The correlative nonlinear matter was simplified.The state nonlinearity was translated to the displacement boundary conditions，at the same time the material nonlinearity was exclusively considered.In this way the computation efficiency was improved.The test results show that the simplified method is feasible,and can provide significant reference for the structure design.

finite element;material nonlinearity;state nonlinearity;boundary condition;invalidation load;intermediate case;splitter;aeroengine

刘长春（1976），女，高级工程师，从事航空发动机结构强度设计工作。