付為剛 姚裕隆 裴少坤 陳俊杰

摘要：背景：壓氣機(jī)輪盤是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組件，工作環(huán)境的應(yīng)力條件復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作將產(chǎn)生很大的影響。目的：針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤進(jìn)行受力分析，有利于進(jìn)行輪盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。方法：本文采用理論分析與有限元仿真相結(jié)合，基于對(duì)稱假設(shè)下的輪盤簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度給出徑向與周向最大應(yīng)力的理論解。同時(shí)，運(yùn)用有限元軟件ANSYS獲得對(duì)應(yīng)的數(shù)值仿真解。結(jié)論：經(jīng)理論解與仿真解對(duì)比分析表明，本文提供的方法可用于壓氣機(jī)輪盤簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的求解分析。

Abstract： Background： the compressor disk is an important component of the engine， the stress condition of the working environment is complex， its structure and performance will have a great impact on the engine. The purpose of this paper is to analyze the force on the engine disk， which is conducive to the optimization design of the disk structure， and then improve the thrust-weight ratio of the engine. The method of this paper： in this paper， theoretical analysis and finite element simulation are combined， and the theoretical solutions of radial and circumferential maximum stress are given based on the simplified structural strength of the disk under the assumption of symmetry. At the same time， the corresponding numerical simulation solution is obtained by using the finite element software ANSYS. The conclusion of this paper： the comparison between theoretical solution and simulation solution shows that the method presented in this paper can be used to solve and analyze the simplified structure strength of compressor disk.

關(guān)鍵詞：壓氣機(jī)輪盤;強(qiáng)度;數(shù)值仿真;有限元法

Key words： compressor disk;strength;numerical simulation;finite element

中圖分類號(hào)：V231.91? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）06-0042-02

0? 引言

壓氣機(jī)輪盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，其工作環(huán)境復(fù)雜且承受極端載荷。因而其應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)[1]。文中根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[2]，分別計(jì)算輪盤不同工作環(huán)境下徑向/周向最大應(yīng)力的理論解。其次，運(yùn)用有限元軟件ANSYS仿真分析得出了輪盤徑向/周向最大應(yīng)力的仿真解[3]。通過對(duì)比分析驗(yàn)證了由有限元軟件ANSYS仿真分析計(jì)算出的輪盤徑向/周向最大應(yīng)力的精確性。

1? 壓氣機(jī)輪盤簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的理論解

輪盤實(shí)體結(jié)構(gòu)模型在進(jìn)行理論求解計(jì)算時(shí)需要針對(duì)輪盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行假設(shè)簡(jiǎn)化。

1.1 微元體簡(jiǎn)化假設(shè)

①軸對(duì)稱假設(shè)：包括幾何形狀，載荷分布以及溫度場(chǎng)等;②平面應(yīng)力假設(shè)：大多數(shù)輪盤的外徑與厚度相比是比較大的。故而通常將輪盤當(dāng)成“薄盤”處理，因此載荷分布與溫度場(chǎng)等沿軸向是不變的;③彈性假設(shè)：認(rèn)為輪盤材料處于彈性狀態(tài)，暫不考慮塑性變形;④輪盤外緣等效載荷假設(shè)：主要考慮安裝在輪盤外緣上的葉片質(zhì)量離心力以及輪盤本身的離心力[6]，假定輪盤外緣周向應(yīng)力為均勻分布。

按上述假設(shè)條件，選定圓柱坐標(biāo)系，在輪盤中取一微元體如圖1所示。由夾角為dθ的兩條半徑線和兩個(gè)圓柱面（其半徑分別為r與r+dr）所圍成。在內(nèi)圓柱面上作用有徑向應(yīng)力σr;外圓柱面上作用有徑向應(yīng)力σr+dσr;在兩個(gè)徑向側(cè)面上作用有周向應(yīng)力σθ（在微元體內(nèi)假設(shè)σθ是均勻分布的），在微元體重心處作用有質(zhì)量離心力dC。

1.2 等溫實(shí)心等厚輪盤強(qiáng)度的理論解

2? 等溫實(shí)心等厚盤應(yīng)力有限元分析

對(duì)簡(jiǎn)化輪盤應(yīng)力的有限元分析主要分為兩個(gè)方面，首先是實(shí)體模型的前處理，包括針對(duì)實(shí)體的建模、網(wǎng)格劃分、加載和求解;其次是針對(duì)實(shí)體模型的后處理，包括瀏覽分析結(jié)果、查看應(yīng)變和應(yīng)力等。

如圖2（a）所示，經(jīng)過仿真分析得，無外載荷等溫實(shí)心等厚盤最大應(yīng)力為106MPa。

如圖2（b）所示，經(jīng)過仿真分析得，有外載荷等溫實(shí)心等厚盤最大應(yīng)力為203MPa。

3? 理論解與仿真解的對(duì)比

無外載荷的等溫實(shí)心等厚盤簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)誤差：

有外載荷的等溫實(shí)心等厚盤簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)誤差：

由此可知有限元分析法對(duì)壓氣機(jī)輪盤的應(yīng)力分析是比較準(zhǔn)確的。

由理論值和有限元計(jì)算值對(duì)比可以看出在實(shí)際的工作中輪盤承受外載荷會(huì)使應(yīng)力增大，同時(shí)由輪盤的整體應(yīng)力云圖可以看出其最大受力部位在輪盤的內(nèi)徑處。通過優(yōu)化輪盤結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整輪盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，可在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)需求前提下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。

4? 總結(jié)

本文分別從理論求解與有限元仿真分析兩個(gè)角度，研究了壓氣機(jī)輪盤簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度值。經(jīng)對(duì)比分析表明，有限元數(shù)值求解結(jié)果精度高，可為輪盤簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及輪盤結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供參考。

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