某航发装配平台主体结构的仿真分析与试验

顾永峰，闫洪峰，温 琦,安喜平，秦 伟，2

(1.中国农业机械化科学研究院 北京金轮坤天特种机械有限公司，北京 100083；2.昆明理工大学 农业与食品学院，昆明 650500)

全球空中交通量的不断增长使得人们对未来的航空发动机提出了经济目标和性能要求[1]。而航发装配平台作为航空发动机结构的重要组成部分，其性能好坏决定了航空发动机的工作稳定性及使用寿命[2]，因此，提高航发装配水平显得尤为重要。

国内对于航发装配平台的传统装配方法主要有两种，即将发动机固定在龙门架下的立式装配和将发动机装配固定在4根或6根独立支柱上。但这两种方法存在装配区域有限，效率低下等缺点，不适合大批量生产。在国外，目前以美国、法国为首的国家普遍采用GE航空脉动装配线及Clemessy水平脉动装配线等更为先进的装配方式。其主要是在水平吊装状态下将风扇、核心机、低压涡轮和附件机匣以脉动方式进入后续工位，逐步装配成发动机主体，再安装智能装配系统和外部件完成整机装配[1,3]。但由于技术以及成本的缘故，此种装配方式未能在国内企业普及。因此，研发一种经济实用的航发装配设备就显得尤为重要。

本单位在成功研制一台多自由度的航空发动机装配平台的基础上，研发了本文中用于结构分析的新型装配平台[4]。二者进行比对发现，前者固定支撑装置为C型环固定，后者则为前后支撑架支撑；前者整机需固定于地面进行装配，后者则以装配车的形式进行作业。相较于前者，新型装配平台的装配区域得到了扩大，承载量和装配效率也有显著提升。

平台的设计与发动机的设计紧密相关，为了在产品设计过程的早期阶段评估与生命周期相关的成本，必须在初步设计期间对航空发动机壳体组件的实验模型验证且确定装配系统的可靠性[5-6]，并评估航空发动机可制造性和可组装性[7]，进而进行平台结构设计，确保装配平台结构的安全性及可靠性等各项指标满足要求[8]。因此在设计过程中，需预先对结构进行有限元仿真分析，以指导结构设计，并在设备试用阶段进行相应试验。

本文采用基于ANSYS的有限元分析并结合试验的方法对主体结构强度进行分析，可以很好得到主体结构应力分布情况，能为主体结构的设计和修复改造提供技术依据[9]。

1 装配平台主体结构分析

1.1 装配平台主体结构组成

主体结构是装配平台用于支撑和升降的结构，是整个装配分解平台的主要承载部分，主要由轮架底座、升降台、外X型臂、内X型臂等组成。其中内外X型臂组成升降机构，其上下两端分别同轮架底座和升降平台连接，结构如图1所示。

图1 主体结构三维图

1.2 主体结构恶劣工况分析

主体结构中，内外X型臂下部连接轮架，组成升降机构，且在液压缸的推动下实现升降台及上部设备的升降。平台升降高度，承载稳定性，液压缸推力等因素都会影响结构工况。其中，液压缸推力是主体结构所受载荷中最大的，是影响结构工况的主要因素。因此，在分析平台主体工况时，仅需要分析出液压缸的最大推力即可确定主体结构的恶劣工况。主体结构受力分析时，为了便于分析，将升降平台所受支撑装置的压力简化为作用于平台中部的力W(大小等于上部装置的总重力)。受力简图如图2所示。

升降机构为液压剪叉机构，在两个液压缸共同作用下，外X型臂绕C点转动从而带动其他部件运动。由剪叉布置方式可知

图2 主体结构受力简图

VW=VAcosα=lACωcosα

(1)

VB=lBCω

(2)

V=VBcosβ

(3)

β=90-(α+θ)

(4)

式中：VW为升降台运动速度；VA为上滑块上A点的速度；lAC为AC的长度；ω为AC相对于C点转动的角速度；α为AC为与底盘梁架的夹角；β为AC上B点的速度与液压缸推杆的夹角；θ为液压缸轴线与地面的夹角。

由上式得油缸运动速度V

(5)

由虚位移原理可推导出活塞推力P[10]

(6)

式中,lBC为BC段长度。

由式(5)、(6)可知，V随着α的增大而增大，活塞推力P则会减小。当α最小时，活塞推力P最大，升降结构与上平台所受载荷最大。

综上，当升降平台处于最低位置时，主体结构所处工况最恶劣。

2 平台主体结构有限元分析

2.1 有限元模型的建立

主体结构整体有限元模型建立时，由于原始模型、结构的边界条件、载荷情况等较复杂，为提高数值模拟效率，减少仿真运行时间，需对主体结构模型进行简化处理。在三维建模软件SolidWorks将主体结构分为升降台、升降机构及轮架底座三部分分别建模,模型三维图如图3所示。

图3 模型三维图

2.2 三维模型与有限元软件的连接

保存上述模型为“.x_t”格式，导入有限元软件Ansys Workbench之中。为便于分析，节省仿真所需时间，对导入模型做如下简化：结构各部分材料被看作各向同性材料[12]，忽略焊缝对各连接部分的影响。

2.3 单元类型及材料特性

由于主体结构中的升降台、升降机构、底盘梁架是由钢板及钢架焊接而成，模型不规则，故对结构进行有限元分析时，采用三维实体单元Solid45进行网格划分[13]。此单元用于构造三维实体结构，单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度。单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变的能力，可以获得简化的综合微控选项。

装配平台的主体结构所用材料为Q345B，其材料属性如表1所示。

表1 Q345B材料属性

2.4 边界条件及载荷

对升降台、升降机构和底盘梁架分别施加不同的约束和载荷。上平台前后两端与前后支撑装置接触部分施加压力，并在平台下部相接触部位施加圆柱度约束及位移约束。在内外X型臂铰接位置及其与上下部件连接处的一端添加圆柱度约束，并在另一端施加竖直向下的载荷。由于底盘梁架受力复杂，不易分析，因此将载荷简化为均布于四角且垂直向上的压力，并于与底盘梁架上部的连接处添加固定约束。

考虑到后续应力试验时的平衡点选取问题，各部位将分别在空载和满载两种情况下施加相应载荷并进行有限元仿真。

2.5 有限元分析及结果选取

结构的总应力是由XYZ三向的正应力以及切应力的矢量和。在满载和空载两种工况下，对上述三部分结构分别进行有限元仿真，可得结构在满载和空载状况下总应力以及各向应力分布云图。由分析可得，主体结构主要受到轴向拉应力且其平台升降高度相对较低，因此结构在X向的正应力远大于其他应力。考虑到应变片测电阻的测试范围以及贴片布置位置等因素，本文只取主体结构在空载、满载工况下X向以及满载时整体应力分布云图，并在挠度最大处标记应力值，所得结果如图4所示。

图4 有限元分析云图

由观察上述有限元分析云图结果可知，主体结构所受最大应力出现在底盘梁架的横梁尾部，为269 MPa，小于材料的许用应力值。

3 平台主体结构应力试验

3.1 应力试验基本原理

在工程上，结构应力通常通过测量结构应变获得。通过应变片和专用测试仪器采集结构件应变时域信号[14]，进而分析结构件应力的最大值、最小值以及变化规律等。电阻R的表达式如式(7)所示

(7)

式(7)中，R为应变片电阻丝的电阻值；ρ为电阻丝的电阻率；L为电阻阻丝的初始长度；A为电阻丝的初始截面面积。

当电阻丝受到轴向拉力或压力时，将发生伸长或缩短效应，随之电阻丝横截面积和电阻值也发生变化[14-15]。对上式两边同时取对数可得

lnR=lnρ+lnL-lnA

(8)

对式(8)进行求导可得

(9)

又因为金属电阻线受轴向拉伸(或压缩)作用时

(10)

(11)

式(11)中令K=dρ/ρ/ε+(1+2μ)，则

(12)

由上述各式可得，在航发主体结构加载时，电阻丝的应变会随着电阻变化值的增大而增大，相应的应力值也会增大。

3.2 试验设备

3.2.1 试验仪器

(1)YSV工程测试与信号分析软件 HDSample1.0；

(2)YSV8004型4通道动态信号采集仪；

(3)YSV7004型动态应变调理器；

(4)120Ω箔式电阻应变片；

(5)优利德UT33C数字万用表。

3.2.2 试验设备

5吨航空发动机模型。

3.3 试验步骤

3.3.1 测点位置的选取

根据有限元分析结果可知，主体结构三部分应力最大点分别位于上平台与外X型臂铰接处、内外X型臂铰接处以及底盘梁架的横梁尾部。考虑到实际工况与有限元分析所得数据的差异，且在实际测试过程中，分析所得应力最大点处无法进行打磨、清理、贴片等操作，故这些位置无法进行应力测试。为了解决上述问题，结合发动机装配分解平台的承载特点[15]，选取各部分挠度最大的4个位置作为测点，如表2和图5所示。

表2 发动机装配平台检测点

图5 主体结构测点示意图

3.3.2 应变片的粘贴

由结构分析可知，所选4个测点位置主要为拉伸形变，且形变方向为各梁的轴向。因此，应在各测点中部且沿结构轴向的位置粘贴应变片。实际测试如图6所示。

图6 应力测试现场图

3.4 试验结果

3.4.1 测试数据

选择装配平台空载工况为平衡点，用YSV8004型4通道动态信号采集仪同时对A、B、C、D4个测点进行测试。测试装配平台由空载到满载一段时间后测点的应力变化情况，测试总时间为24s(24000ms)。采集到的应力数据经动态应变调理器后得到测试文件，导入YSV工程测试与信号分析软件中，并分两组对其进行频域分析，得到如图7所示数据。

图7 测点测试数据曲线图

3.4.2 数据处理

由于YSV工程测试与信号分析软件所得到的测试数据数量庞大，且数据曲线的准确数值难以观察，因此需将所得数据进行分析处理。由图17、18可知，各通道测试数据在14秒(14 000 ms)之后趋于稳定。为了便于观察应力测试结果，选取载荷稳定时的10组测试数据(时域为10 ms)并导入绘图分析软件Origin8.5中，即可得到清晰且准确的测试结果，所得图形如图8所示。

图8 测点数据处理曲线图

4 有限元分析与试验比对

由于结构应力测试所测数据为各测点在空载到满载时轴向的拉伸应力变化，结合ANSYS Workbench仿真，所测拉伸应力应与各测点X向在空载和满载情况下的应力差值进行比对，以此验证有限元仿真模型的准确性和可靠性。将有限元分析云图所得结果与3.4.2中数据处理曲线的平均值进行对比，如表3所示。

由表3可知，各测点应力值均小于材料的屈服强度，且最大应力在C测点。各个测点的有限元应力分析值与应力测试值相比，除C测点误差达到了11%外，其余测点误差均小于10%。误差在工程计算允许范围内，说明有限元分析结果具有可靠性和准确性，但仍存在一定的误差[16]。其原因主要来源于三方面:

表3 有限元应力分析值与应力测试值比对

(1)主体结构形状较为复杂，有限元模型是在对结构实体模型简化的基础上完成的，与物理模型存在一定差异[16];

(2) 为便于分析，对结构添加边界条件时，忽略了部分对分析结果影响不大的约束及载荷；

(3) 在试验过程中，路况、温度等环境因素也会对试验结果产生影响，有限元软件无法完全模拟实际载荷工况。

综上分析，基于ANSYS Workbench的有限元分析结果具有可靠性，且主体结构设计满足稳定性及安全性等要求。本分析结果已用于产品设计及指导。

5 结论

(1)由ANSYS仿真结果可知，平台主体结构满足强度和刚度要求。主体结构挠度最大位置在各部分铰接出的中间位置，这些位置是主体结构强度设计的关键位置。

(2)有限元分析与试验结果对比可知，测点应力分析值与试验分析值误差较小，验证了平台主体结构有限元模型及分析的有效性和准确性。

(3)文中基于ANSYS Workbench分析计算得到结构恶劣工况下的应力云图,并且可以通过改变升降平台的升降高度、液压缸的驱动力等方法来优化主体结构，为后续的改进工作提供参考。