稳态温度场对航空发动机静子振动特性影响的研究

景晓东 王克明 张婷婷 孙阳

【摘要】根据温度场分段插值方法对某型航空发动机静子结构进行了温度场求解，并利用得到的温度场对航空发动机静子热-结构耦合分析，通过结构模态分析和谐响应分析计算，得到了该型航空发动机在温度场作用下的振动特性，对计算结果进行进一步分析，验证了计算结果的合理性。

【关键词】航空发动机 场序耦合方法 模态分析 谐响应分析

1引言

航空发动机的静子支承结构是连接发动机转子和发动机其他部件的主要承力结构，静子系统包含航空发动机整机的机匣以及简单的静子叶片，不包含转子叶片、复杂的附件系统。

随着航空发动机技术的不断发展以及发动机故障诊断水平的提升，发动机静子结构承受热载荷作用下的工作特性研究越来越多，因为它直接影响着转子结构的动力特性。近年来，国内开展了很多关于航空发动机结构与温度场耦合问题的研究工作。

本文利用温度场分段差值方法对某型航空发动机静子结构开展了场序热-结构耦合分析研究。

2场序热-结构耦合方法

本文所研究的问题中温度场对发动机静子结构振动特性的影响可以看作为单向影响，正适合采用场序热-结构耦合方法。该方法先利用初始温度条件对结构进行稳态温度场分析，得到结构在稳态温度场下的节点温度文件，然后转换分析单元，导入结构材料特性曲线，将热分析中的得到的节点温度文件导入并作为温度载荷施加到结构节点上去，最后进行分析计算，求解并得到结构振动特性数据。

稳态温度-空间场数据复杂，直接施加于结构难度较大，在施加温度边界条件之前应对该温度边界条件进行适当化简，目前可以采用的方法有线性分段插值方法，即先将温度初始条件进行分段差值，然后将处理后的数据导入结构，利用有限元软件自身的插值计算能力求解出初始温度条件下的结构稳态温度场分布状况。

3热-结构耦合的计算求解

3.1材料特性和温度初始条件

根据实测数值简化结构温度初始条件[5]，进一步提取关键位置的温度数据，就能够通过有限元软件对温度初始条件进行分布插值运算，从而得到静子结构在工作状态下的温度分布情况，进一步提取热分析中得到的温度空间场，就得到了在结构分析中需要的温度载荷条件，这样就可以完成温度载荷的施加。温度载荷施加过程还应当注意单元类型的转换，由于场序热-结构耦合方案下的分析包括热分析与结构分析两大部分，而在不同分析时对有限元网格单元的要求也不一样，本文中首先计算结构温度场，在ANSA网格划分软件导出的有限元模型数据文件中先将单元类型设为热分析单元solid70，在后续的机构分析中可以使用有限元软件自身的单元转换工具将热单元solid70转换成与之相对应的结构单元solid185，通过这种转换，使得分析能够在热、结构两个求解领域中连续而稳定。

3.2热应力求解

如前所述通过对于结构的热分析得到的温度分布状态将作为后续分析的初始条件，首先采用提取空间温度场的方法得到结构空间-温度载荷文件，在之后的热-结构耦合分析中，调用该文件作为温度载荷施加于结构之上，这样就完成了温度载荷在结构上的施加。

求解得到常温状态和温度场作用下结构前十阶固有模态，如表一所示。

表1固有频率对比图（单位：Hz）

由上表可见结构在温度场的作用下固有频率同常温状态下的计算结果相比较要低一些。

用同样的计算方法对某型航空发动机静子常温状态下和温度场作用下进行谐响应分析计算得到频率响应函数图如图1所示

从温度场作用下与常温状态下的结构响应图中可以看出常温状态下响应函数在第三阶固有频率处出现峰值，而在温度场作用下响应函数在第四阶固有频率下出现峰值。

4结语

（1）考虑温度场作用下的静子结构固有频率计算值要低于常规方法不考虑温度场情况下的计算值，较好的验证了温度场对结构振动问题求解的修正特点。（2）由频率响应图可知，在温度场改变了静子结构的固有频率下，响应函数的峰值也随之改变。（3）温度场对航空发动机静子的模态分析与谐响应分析都有着较大的影响。

参考文献：

[1]艾书民，王克明，缪辉，赵帅.某型航空发动机导向器的热-结构耦合分析[J].沈阳航空航天大学学报，2012（01）：2095-1248.

[2]孙杨，鲁建，郑严，洪杰，曹航，张瑞虎.某涡喷发动机涡轮导向器的热应力分析[J].推进技术，2004，（04）：357-359.

[3]崔健.涡轮导向器叶片热应力的有限元计算分析[D].沈阳工业大学，2007.

[4]刘长福主编.航空发动机结构.国防工业出版社，1989：127.

[5]李松涛，许庆余，张小龙.透平机械离心压缩机和离心泵叶轮动力分析的三维旋转循环对称CN群算法[J].应用力学学报，2005，（6）：169-174.

[6]孙杨，洪杰.某涡轮喷气发动机涡轮导向器温度分布及热应力计算[R].航天科工集团三院31所，2000.