基于有限元仿真的飞机发动机尾喷口整流结构优化设计研究

曹婷 胡碧阳 李杰

摘要：发动机尾喷口整流结构是发动机短舱的延续，它处在发动机尾喷口的外围，对发动机的排气起到一定的整流作用，按照现有飞机的布局约束，该处结构形成尖角区，存在严重的应力集中，导致外场使用过程极易产生裂纹。本文通过对该发动机尾喷口整流结构优化及有限元分析，使其刚度、强度提升，应力集中区明显减少，降低裂纹产生的风险，满足外场飞行要求。

关键词：发动机尾喷口;整流结构;裂纹;有限元分析;结构优化

0  引言

此发动机短舱发动机尾喷口整流结构的总体布局、结构布局及形式与其它飞机无继承性，由于受发动机影响，该部位振动较大，受力复杂，根据用户使用的故障统计情况反馈，已装机件发现有不同程度的问题，为保证设计质量，有必要对发动机尾喷口整流结构进行优化，使其在满足刚度、强度的前提下，满足订货方的飞行要求。

1  结构优化

1.1 问题描述

发动机尾喷口整流结构的目的在于对发动机的排气起到整流作用，同时对机身起到保护作用。飞行中承受发动机尾气的高温，且气流复杂，振动较大。因此，主要零件材料均采用0Cr18Ni9不锈钢。结构形式由不锈钢的环形框、两个机加的支承框、以及长桁、蒙皮等组成。

装配时，环形框及蒙皮采用焊接工艺方法组装，并用螺钉固定在发动机短舱框上，长桁、隔框与蒙皮采用铆钉连接，与机身侧壁通过角材采用螺钉连接，后端布置有加强框，采用螺钉与后部整流结构连接。根据用户飞机使用情况反馈的数据显示，焊缝交汇的尖角区裂纹最长达50mm，位置如图1所示。

1.2 原因分析

从结构布局分析：裂纹多发区域的结构形式为上下各三块蒙皮焊缝焊接为一体，两条焊缝的交点处形成尖点。尖角区飞行时受气动力和发动机振动的影响，产生了严重的应力集中，加之焊缝的残余应力和焊接缺陷的存在，加劇了焊接结构处出现疲劳破坏，产生撕裂。此外，由于尖角区域内部空间狭小，工艺上无法补偿支撑，刚性差，也会进一步加速裂纹产生。因此，综合结构布局分析，认为该处裂纹的产生主要是由于振动、应力集中及焊缝承载力下降所导致。

从支撑刚度角度分析：该整流结构两段对接处的加强框为浮框设计，即加强框浮于长桁上，通过连接角片实现浮框与蒙皮、长桁形成的壁板结构的传力，刚性较差、局部支撑不足，使得浮框处易受振动的影响，整体刚性和局部加强效果都不甚理想，带来振动加剧。

1.3 结构改进

结合上述分析，将发动机尾喷口整流结构优化部位确定为三方面：蒙皮的结构优化、尖角区域结构优化及加强框结构优化。

1.3.1 针对应力集中优化

在满足工艺能力前提下，将原结构上下表面分块设计的两块蒙皮设计为整体式蒙皮，减少多余焊缝，消除焊缝应力的影响，降低了原始缺陷的产生，同时将裂纹产生较多的尖角区域结构进行分块处理，采用紧固件与周围结构连接，并对尖角区域采用大圆角过渡优化，消除尖角区域的应力集中。

1.3.2 针对刚度优化

将原结构的加强框进行结构优化及连接优化，使其直接与蒙皮连接，框腹板上开长桁缺口，同时增加角片用于连接浮框与长桁，使结构在受振动影响时保证力传递的连续性，提升骨架结构的整体刚性。

1.4 有限元优化分析

此次优化采用Hype Mesh软件前处理建模，应用Abaqus求解器进行气动载荷分析。由于发动机振动复杂，目前无准确的振动载荷数据，此次有限元分析主要进行气动载荷工况下的静力分析。

通过对模型网格划分，考虑到发动机尾喷口整流结构的受力特点和刚度特性，简化时，模型中框、长桁、蒙皮等薄板件采用壳单元，铆钉、焊接等连接件采用rbe3+cbar+rbe3方式模拟。设定边界条件（整流结构与机身、发动机短舱框连接均是螺接，模型中将该连接区边界条件设为固定约束）和气动载荷（0.01648MPa，按均布载荷进行加载），对建立的有限元模型先进行了12阶整体模态分析校核，确定了使用的有限元模型各零部件的连接可靠、有效。

确定了有限元简化模型的可靠性，进而按给定的边界条件及气动加载进行了整体的气动载荷工况下的静力学分析，分析结果见图2、图3、图4。

对于加强框下沉改进的优化，分析结果见图5。

综合以上分析：不锈钢0Cr18Ni9的强度极限为σb=530MPa，对于裂纹多发的尖角区域结构优化前后相比，应力值从416MPa降至18MPa，裂纹部位的剩余强度系数提升了30%，裂纹多发部位的应力集中现象明显消除，比原结构有了明显改善;而且改进后的加强框在气动载荷工况下变形均匀，与改进前相比加强框刚度明显提升。

2  结束语

综上所述，改进后的发动机尾喷口整流结构在尖角区几乎不存在应力集中，说明优化后较优化前，应力集中部位已经极大的得到改善，强度、刚度均有一定提升，因此认为改进后的效果要远远优于先前，与实际应用效果相符。因此，此项改进对于飞行保障提供了更加稳定的技术支持，带来了较好的应用前景和使用价值。

参考文献：

[1]牛春匀.实用飞机结构设计[M].北京：国防工业出版社，1991.

[2]解思适分册主编.飞机设计手册（第9册：载荷、强度和刚度）[M].北京：航空工业出版社，2001.

[3]张胜兰，郑冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京：机械工业出版社，2008.