不同载荷作用下航空发动机前支承动刚度的有限元计算

景晓东， 王克明， 张婷婷， 孙阳

（沈阳航空航天大学航空航天工程学部，沈阳110136）

1 引 言

诸多研究表明，影响转子-支承系统临界转速的主要因素包括转子的刚度、支承的刚度、质量、材料性质等，其中支承结构的动刚度系数是影响转子系统动力特性的最主要因素之一［1］。

本文通过建立一个简单的转子支承结构三维模型，对其施加分布载荷与集中载荷，进行谐响应分析，经过MATLAB 编程，得到支承动刚度随频率变化曲线，对比结果进行分析，得出相应的结论，并对某型航空发动机前支承处的动刚度进行计算。

2 转子支承结构模型的动刚度计算

为了研究航空发动机转子支承结构的动刚度，建立简单的转子支承结构模型，如图1 所示，机匣内径D1=0.24m，机匣外径D2=0.25m，轴承座内径D3=0.06m，轴承座外径D4=0.1m，机匣和轴承座宽度t=0.06m。

将等效的1000N 的Y 向分布载荷与集中载荷加载到模型上之后，设置频率范围为0～250Hz，对两种不同的载荷施加方法进行谐响应计算，得到频率响应函数，并根据谐响应分析计算结果进行MATLAB编程，求出动刚度曲线，对两个模型的动刚度进行比较分析如图2 所示。

如图2 所示两种不同载荷施加方法的动刚度略有不同，峰值大小相差很小。对模型进行修改，增加轴承座内径尺寸，对两种不同的载荷施加方法进行谐响应分析。轴承座内径D3=0.06m 时，对两种不同的载荷施加方法进行谐响应计算，得到频率响应函数，根据谐响应分析计算结果进行MATLAB 编程，求出动刚度曲线，对两个模型的动刚度进行比较分析，如图3 所示。

从图3 可看出当等效的分布载荷与集中载荷施加在一个厚度小于0.01m 的模型上时，所得的动刚度有明显的变化。

图1 简单的转子支承结构模型图

图2 动刚度曲线对比图

图3 轴承座内径D3=0.06m 时动刚度曲线对比图

图4 静子系统有限元模型施加约束图

3 模型航空发动机的动刚度计算

图5 集中载荷作用下前支承处Y 向频率响应图

由于发动机支承系统的结构比较复杂，由不同的构件组成，因此，有限元计算模型采用SOLID185单元，共108528 个单 元，204016 个节点。在顺航向主安装截面上安装节施加轴向和周向约束，左、右安装节施加垂向约束；在辅助安装截面左、右安装节施加垂向和轴向的约束；在加力燃烧室滑轨处施加垂向和轴向约束［6］。图4 为施加约束的静子系统有限元模型。

在机匣前支承位置分别施加等效的方向为Y 向的大小为6000N 的分布载荷和集中载荷，进行谐响应分析，进而求出机匣前支承处动刚度，图5、6 为前支承位置的响应随频率变化的曲线。

用MATLAB 编程，可得到发动机前支承动刚曲线对比图，如图7 所示。

图6 分布载荷作用下前支承处Y 向频率响应图

图7 某型航空发动机前支承Y 向动刚度曲线对比图

4 结 论

本文通过建立简单的转子支承结构三维模型，分别施加分布载荷和集中载荷并用有限元软件对其进行谐响应分析，再由所得到的位移曲线通过MATLAB 编程求出相应的动刚度曲线，进行对比分析。得出结论：当承力结构厚度小于一定范围时，两种载荷施加方法对动刚度的影响十分明显。针对某型航空发动机前支承处动刚度的计算结果表明：对于实际航空发动机而言，分布载荷的施加方法更符合实际发动机转子支承结构的受力情况，计算动刚度结果更加准确。

［1］ 张大义，母国新，洪杰.航空发动机转子支承系统刚度计算中的几个问题［J］.战术导弹技术，2005（2）：20-23.

［2］ 李玲玲，王克明.某型航空发动机后支承动刚度的有限元计算［J］.沈阳航空工业学院学报，2007，6（3）：5-7.

［3］ 洪杰，王华，肖大为，等.转子支承动刚度对转子动力特性的影响分析［J］.航空发动机，2008，3（1）：23-27.

［4］ 张琼.复杂转子支承系统动力特性分析［D］.沈阳：沈阳航空工业学院，2009.

［5］ 王励成，邵敏.有限单元法基本原理和数值方法［M］.北京：清华大学出版社，1997.

［6］ 刘长福，邓明.航空发动机结构分析［M］.西安：西北工业大学出版社，2006.