景曉東 王克明 張婷婷 孫陽

【摘要】根據(jù)溫度場分段插值方法對某型航空發(fā)動機靜子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度場求解，并利用得到的溫度場對航空發(fā)動機靜子熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，通過結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析計算，得到了該型航空發(fā)動機在溫度場作用下的振動特性，對計算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，驗證了計算結(jié)果的合理性。

【關(guān)鍵詞】航空發(fā)動機 場序耦合方法 模態(tài)分析 諧響應(yīng)分析

1引言

航空發(fā)動機的靜子支承結(jié)構(gòu)是連接發(fā)動機轉(zhuǎn)子和發(fā)動機其他部件的主要承力結(jié)構(gòu)，靜子系統(tǒng)包含航空發(fā)動機整機的機匣以及簡單的靜子葉片，不包含轉(zhuǎn)子葉片、復(fù)雜的附件系統(tǒng)。

隨著航空發(fā)動機技術(shù)的不斷發(fā)展以及發(fā)動機故障診斷水平的提升，發(fā)動機靜子結(jié)構(gòu)承受熱載荷作用下的工作特性研究越來越多，因為它直接影響著轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的動力特性。近年來，國內(nèi)開展了很多關(guān)于航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)與溫度場耦合問題的研究工作。

本文利用溫度場分段差值方法對某型航空發(fā)動機靜子結(jié)構(gòu)開展了場序熱-結(jié)構(gòu)耦合分析研究。

2場序熱-結(jié)構(gòu)耦合方法

本文所研究的問題中溫度場對發(fā)動機靜子結(jié)構(gòu)振動特性的影響可以看作為單向影響，正適合采用場序熱-結(jié)構(gòu)耦合方法。該方法先利用初始溫度條件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場分析，得到結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)溫度場下的節(jié)點溫度文件，然后轉(zhuǎn)換分析單元，導(dǎo)入結(jié)構(gòu)材料特性曲線，將熱分析中的得到的節(jié)點溫度文件導(dǎo)入并作為溫度載荷施加到結(jié)構(gòu)節(jié)點上去，最后進(jìn)行分析計算，求解并得到結(jié)構(gòu)振動特性數(shù)據(jù)。

穩(wěn)態(tài)溫度-空間場數(shù)據(jù)復(fù)雜，直接施加于結(jié)構(gòu)難度較大，在施加溫度邊界條件之前應(yīng)對該溫度邊界條件進(jìn)行適當(dāng)化簡，目前可以采用的方法有線性分段插值方法，即先將溫度初始條件進(jìn)行分段差值，然后將處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)，利用有限元軟件自身的插值計算能力求解出初始溫度條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)溫度場分布狀況。

3熱-結(jié)構(gòu)耦合的計算求解

3.1材料特性和溫度初始條件

根據(jù)實測數(shù)值簡化結(jié)構(gòu)溫度初始條件[5]，進(jìn)一步提取關(guān)鍵位置的溫度數(shù)據(jù)，就能夠通過有限元軟件對溫度初始條件進(jìn)行分布插值運算，從而得到靜子結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的溫度分布情況，進(jìn)一步提取熱分析中得到的溫度空間場，就得到了在結(jié)構(gòu)分析中需要的溫度載荷條件，這樣就可以完成溫度載荷的施加。溫度載荷施加過程還應(yīng)當(dāng)注意單元類型的轉(zhuǎn)換，由于場序熱-結(jié)構(gòu)耦合方案下的分析包括熱分析與結(jié)構(gòu)分析兩大部分，而在不同分析時對有限元網(wǎng)格單元的要求也不一樣，本文中首先計算結(jié)構(gòu)溫度場，在ANSA網(wǎng)格劃分軟件導(dǎo)出的有限元模型數(shù)據(jù)文件中先將單元類型設(shè)為熱分析單元solid70，在后續(xù)的機構(gòu)分析中可以使用有限元軟件自身的單元轉(zhuǎn)換工具將熱單元solid70轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元solid185，通過這種轉(zhuǎn)換，使得分析能夠在熱、結(jié)構(gòu)兩個求解領(lǐng)域中連續(xù)而穩(wěn)定。

3.2熱應(yīng)力求解

如前所述通過對于結(jié)構(gòu)的熱分析得到的溫度分布狀態(tài)將作為后續(xù)分析的初始條件，首先采用提取空間溫度場的方法得到結(jié)構(gòu)空間-溫度載荷文件，在之后的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析中，調(diào)用該文件作為溫度載荷施加于結(jié)構(gòu)之上，這樣就完成了溫度載荷在結(jié)構(gòu)上的施加。

求解得到常溫狀態(tài)和溫度場作用下結(jié)構(gòu)前十階固有模態(tài)，如表一所示。

表1固有頻率對比圖（單位：Hz）

由上表可見結(jié)構(gòu)在溫度場的作用下固有頻率同常溫狀態(tài)下的計算結(jié)果相比較要低一些。

用同樣的計算方法對某型航空發(fā)動機靜子常溫狀態(tài)下和溫度場作用下進(jìn)行諧響應(yīng)分析計算得到頻率響應(yīng)函數(shù)圖如圖1所示

從溫度場作用下與常溫狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)圖中可以看出常溫狀態(tài)下響應(yīng)函數(shù)在第三階固有頻率處出現(xiàn)峰值，而在溫度場作用下響應(yīng)函數(shù)在第四階固有頻率下出現(xiàn)峰值。

4結(jié)語

（1）考慮溫度場作用下的靜子結(jié)構(gòu)固有頻率計算值要低于常規(guī)方法不考慮溫度場情況下的計算值，較好的驗證了溫度場對結(jié)構(gòu)振動問題求解的修正特點。（2）由頻率響應(yīng)圖可知，在溫度場改變了靜子結(jié)構(gòu)的固有頻率下，響應(yīng)函數(shù)的峰值也隨之改變。（3）溫度場對航空發(fā)動機靜子的模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析都有著較大的影響。

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