江志敏，高雄兵，張 鵬

（中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500）

0 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)除了追求高性能和高推重比外，還要求發(fā)動(dòng)機(jī)有更輕的質(zhì)量和更緊湊的結(jié)構(gòu)布局，這些特點(diǎn)會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在臨界轉(zhuǎn)速。所以高性能和高可靠性的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的研制要求轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具有優(yōu)良的阻尼減振器，以減小轉(zhuǎn)子系統(tǒng)接近臨界轉(zhuǎn)速和通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)。這是整機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)彈性環(huán)式擠壓油膜阻尼器（ERSFD）做了一些探索性研究。周明等[1-3]對(duì)ERSFD的減振機(jī)理進(jìn)行了初步探索，建立了油膜壓力控制方程，分析了油膜力特性；周松江、趙行明等[4]對(duì)彈性環(huán)擠壓油膜系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究；洪杰等[5]以燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)用ERSFD為對(duì)象，基于有限元擠壓油膜理論對(duì)ERSFD的彈性環(huán)支承剛度、油膜壓力場(chǎng)分布和油膜阻尼等特性進(jìn)行了研究；曹磊等[6-7]推導(dǎo)了ERSFD的雷諾方程，通過(guò)對(duì)ERSFD數(shù)學(xué)物理模型的求解，研究了ERSFD油膜力特性。這些研究都是基于流體力學(xué)或試驗(yàn)的方法對(duì)ERSFD特性進(jìn)行研究。

本文引入流固耦合的計(jì)算方法，考慮彈性環(huán)變形和滑油流場(chǎng)的相互作用，建立3維有限元流體和結(jié)構(gòu)模型來(lái)耦合求解ERSFD滑油的流動(dòng)情況，獲得油膜壓力分布特性以及彈性環(huán)在復(fù)合載荷作用下的計(jì)算結(jié)果，為了解ERSFD的減振機(jī)理以及進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供1種新的設(shè)計(jì)思路。

1 流固耦合ERSFD模型

1.1 ERSFD結(jié)構(gòu)

彈性環(huán)式擠壓油膜阻尼器在傳統(tǒng)擠壓油膜阻尼器的基礎(chǔ)上增加了具有定心彈性支承作用的彈性環(huán)，彈性環(huán)內(nèi)、外凸臺(tái)分別與軸承外環(huán)和限幅器接觸面配合，把整個(gè)油腔沿徑向分隔成內(nèi)、外2層油腔，彈性環(huán)凸臺(tái)又分別把每層油腔沿周向分隔成多個(gè)小油腔，油腔之間通過(guò)彈性環(huán)上的阻尼孔相連通[8-15]，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文以某ERSFD算例對(duì)流固耦合特性進(jìn)行計(jì)算分析。

圖1 ERSFD結(jié)構(gòu)

1.2 ERSFD流固耦合模型

ERSFD的流固耦合模型關(guān)系如圖2所示。從圖中可見(jiàn)，彈性環(huán)在油腔里被滑油包圍，其表面均是流固耦合界面。在流固耦合模型中，雖然滑油被彈性環(huán)分割成若干小油腔，但是由于阻尼孔和凸臺(tái)上間隙的存在，使得流體模型為1個(gè)聯(lián)通的流域。

圖2 ERSFD耦合關(guān)系

處理流固耦合模型時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)和流體分開(kāi)建立模型，二者相互獨(dú)立且允許一定的公差存在，通過(guò)流固耦合界面相互聯(lián)系，并傳遞作用力。在處理模型時(shí)，一些細(xì)節(jié)的處理決定了計(jì)算邊界條件是否成立。其一，結(jié)構(gòu)建模及邊界處理。在ERSFD的流固耦合計(jì)算模型中，需考慮彈性環(huán)與內(nèi)軸徑、限幅外環(huán)之間的裝配關(guān)系，并且定義接觸，給定1個(gè)合適的接觸容差范圍，模擬彈性環(huán)受到不平衡力擠壓作用時(shí)與內(nèi)、外剛性結(jié)構(gòu)的真實(shí)接觸關(guān)系。文中彈性環(huán)內(nèi)、外實(shí)際裝配間隙均設(shè)置為0.06 mm。其二，流體模型與流固耦合邊界處理。彈性環(huán)與內(nèi)軸徑、限幅外環(huán)之間的所有空隙均為ERSFD中流體的部分，包括凸臺(tái)上方的0.06 mm裝配間隙。在建立流固耦合邊界時(shí)，需要在所有流體和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生交互的界面上建立流固耦合方程。所以，在ERSFD實(shí)際工作過(guò)程中，流體的流動(dòng)通道不止阻尼孔，還包括凸臺(tái)上方的裝配間隙，在不平衡力作用下，結(jié)構(gòu)之間的接觸導(dǎo)致流體的流動(dòng)變得復(fù)雜。ERSFD的流體和結(jié)構(gòu)有限元模型分別如圖3、4所示。

圖3 流體部分有限元模型

圖4 結(jié)構(gòu)部分有限元模型

1.3 流固耦合計(jì)算條件

假設(shè)激勵(lì)為內(nèi)軸頸隨時(shí)間逐步增大到最大偏心距后做穩(wěn)態(tài)公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。計(jì)算流體和結(jié)構(gòu)模型中的時(shí)間積分必須是相容的，計(jì)算均收斂于同一時(shí)間載荷步，內(nèi)軸頸偏心距隨時(shí)刻的初始輸入激勵(lì)如圖5所示。內(nèi)軸頸公轉(zhuǎn)2圈，轉(zhuǎn)速為10000 r/min，第1圈其偏心距幅值由0逐步增大到最大值。

圖5 ERSFD響應(yīng)計(jì)算輸入激勵(lì)

2 流固耦合特性計(jì)算結(jié)果

2.1 彈性環(huán)計(jì)算結(jié)果

通過(guò)流固耦合方法計(jì)算得到在內(nèi)軸頸公轉(zhuǎn)及滑油壓力共同作用下彈性環(huán)的變形結(jié)果及振動(dòng)應(yīng)力的分布情況。

在傳統(tǒng)彈性環(huán)強(qiáng)度計(jì)算中，無(wú)法考慮到ERSFD中流場(chǎng)壓力的作用，只能得到彈性環(huán)受內(nèi)軸承偏心載荷下的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。在ERSFD實(shí)際工作過(guò)程中，油膜壓力會(huì)導(dǎo)致剛性較弱的彈性環(huán)發(fā)生變形。如算例中，不平衡力作用于正上方位置時(shí)，彈性環(huán)的變形結(jié)果對(duì)比如圖6、7所示。從圖中可見(jiàn)，考慮流體壓力作用后彈性環(huán)的變形要比單一機(jī)械載荷作用復(fù)雜很多，其變形量也要比單一機(jī)械載荷作用時(shí)的大。由彈性環(huán)的變形結(jié)果對(duì)比可知，在受到機(jī)械擠壓力作用的位置，采用流固耦合方法和傳統(tǒng)固體力學(xué)方法計(jì)算得到的變形分布及變形量值基本相當(dāng)。采用流固耦合方法計(jì)算考慮了油膜對(duì)彈性元件的作用，圖中在油膜壓力較大的位置，彈性環(huán)受到擠壓而變形。

圖6 流固耦合計(jì)算得到的彈性環(huán)變形

圖7 機(jī)械載荷作用下的彈性環(huán)變形

彈性環(huán)受到相同強(qiáng)迫位移作用下的等效應(yīng)力如圖8、9所示。從圖中可見(jiàn)，流固耦合計(jì)算得到的等效應(yīng)力大于僅考慮機(jī)械載荷得到的計(jì)算結(jié)果，且能考慮到流體對(duì)阻尼孔的沖壓作用，其最大等效應(yīng)力的位置出現(xiàn)在阻尼孔附近。通過(guò)流固耦合分析，ERSFD中彈性環(huán)的高周疲勞源很可能出現(xiàn)在阻尼孔周邊。

圖8 流固耦合計(jì)算彈性環(huán)等效應(yīng)力分布

圖9 僅受機(jī)械載荷彈性環(huán)等效應(yīng)力分布

為了更好的理解彈性環(huán)的變形及應(yīng)力分布特征，對(duì)ERSFD的流體部分的壓力特性及流動(dòng)特性進(jìn)行分析。

2.2 壓力分布

通過(guò)流固耦合計(jì)算得到了內(nèi)軸頸以穩(wěn)定的偏心率運(yùn)動(dòng)到相位差為90°的4個(gè)位置時(shí)油膜壓力的分布。4個(gè)位置與進(jìn)油口的位置關(guān)系如圖10所示；假設(shè)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)幅值達(dá)到0.5偏心率時(shí)，軸頸分別擠壓與進(jìn)油口位置成90°、180°、270°、360°時(shí)油膜沿圓周的分布如圖 11 所示。

圖10 讀取油膜壓力位置關(guān)系

在ERSFD內(nèi)軸頸偏心力作用下，油腔內(nèi)的滑油被擠壓后，滑油通過(guò)阻尼孔和間隙向壓力更小的油腔流動(dòng)。由于彈性環(huán)本身剛度較弱，在內(nèi)軸頸偏心擠壓作用下也會(huì)變形，由此可知ERSFD的滑油流場(chǎng)受到內(nèi)軸頸偏心擠壓及彈性環(huán)變形的共同影響。

圖11 軸頸擠壓與進(jìn)油口成不同角度時(shí)油膜壓力沿圓周分布

通過(guò)流固耦合方法計(jì)算得到油膜壓力的特點(diǎn)如下：

（1）油膜壓力分布總趨勢(shì)與SFD的相似，但呈階梯式分布；

（2）相鄰油腔之間的壓力梯度差主要來(lái)自于阻尼孔處的節(jié)流作用；

（3）由于進(jìn)油壓力的設(shè)置，軸頸運(yùn)動(dòng)在不同偏心角時(shí)，油膜壓力分布特點(diǎn)各不相同；

（4）單個(gè)油腔內(nèi)由于周向黏性阻尼作用也會(huì)產(chǎn)生一定的壓力梯度。

2.3 滑油速度計(jì)算結(jié)果

通過(guò)流固耦合計(jì)算得到ERSFD中滑油的速度矢量分布如圖12所示；油膜阻尼孔截面局部的流體矢量如圖13所示；ERSFD軸向剖面內(nèi)、外油腔壓力分布及壓力差如圖14所示，滑油流動(dòng)情況如圖15所示。

從圖12中可見(jiàn)，ERSFD油膜阻尼的滑油流動(dòng)速度較大的部位有2處：凸臺(tái)與限幅外環(huán)、內(nèi)軸頸之間間隙處的周向流動(dòng)和阻尼孔處的徑向流動(dòng)。

圖12 ERSFD阻尼孔截面滑油速度矢量

圖13 ERSFD6點(diǎn)鐘位置流體矢量

圖14 ERSFD軸向截面滑油壓力分布

圖15 滑油流動(dòng)

通過(guò)對(duì)ERSFD速度矢量以及阻尼孔處滑油流動(dòng)特點(diǎn)的分析可知ERSFD阻尼孔在減振中的作用：內(nèi)軸頸公轉(zhuǎn)壓迫滑油，滑油進(jìn)入阻尼孔和凸臺(tái)間隙后，由于慣性流束將繼續(xù)收縮直至縮頸的最小截面流速增大，然后又逐漸擴(kuò)大，直至碰撞到限幅外環(huán)或內(nèi)軸頸的表面。在縮頸附近的流束與阻尼孔壁之間以及滑油流出阻尼孔后的拐角與流束之間都有1個(gè)充滿小漩渦的低壓區(qū)。漩渦靠主流束帶動(dòng)著旋轉(zhuǎn)，主流束把能量傳遞給漩渦，漩渦又把得到的能量耗散在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，變成熱而散逸，形成明顯的節(jié)流損失，把振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能。

3 結(jié)論

（1）在不平衡力及油膜壓力的共同作用下，ERSFD中彈性環(huán)的變形變得復(fù)雜，其變形量大于僅受到不平衡力作用下的變形量；

（2）ERSFD中彈性環(huán)上的應(yīng)力集中位置除了凸臺(tái)倒圓處外，還有阻尼孔的孔周，對(duì)于彈性環(huán)高周疲勞設(shè)計(jì)時(shí)還需要對(duì)阻尼孔截面開(kāi)展評(píng)估分析；

（3）ERSFD油膜壓力沿圓周分布呈階梯型變化，總趨勢(shì)宏觀上與SFD分布都呈類(lèi)似正、余弦趨勢(shì)分布，但是減振機(jī)理已發(fā)生改變；

（4）ERSFD的阻尼主要由彈性環(huán)阻尼孔和凸臺(tái)間隙處滑油的高速流動(dòng)形成的節(jié)流損失產(chǎn)生。