发动机风扇轴试验器关键结构有限元分析

夏毅锐 戴京涛 孙海霞

（海军航空大学，青岛 266041）

目前，我国发动机研发事业已经得到快速发展，为了进一步开展发动机研发工作，人们需要在发动机研发中进行风扇轴静力试验。通常情况下，发动机风扇轴试验器能够满足风扇轴承受多种荷载作用，这些作用包括弯矩荷载、扭矩荷载等。在进行发动机风扇轴试验器设计中，试验人员需要注意两方面问题，一方面风扇轴试验件刚度要满足试验要求，另一方面试验器关键部位的强度要满足试验要求，这样才能体现风扇轴试验的真实情况。为了确保风扇试验器设计满足要求，本文对轴承座刚度设计要求进行分析，设计一个含外齿结构的套齿卡键，建立了发动机风扇轴试验器关键结构计算模型。

1 发动机风扇轴试验器关键结构计算模型

1.1 轴承座设计

通常，为了体现风扇轴试验器的真实情况，在发动机风扇轴试验中，风扇轴试验件支持的刚度有一定要求。本次研究的试验件支持为轴承座，轴承座上半部对试验件进行轴向和径向约束，主要用来模拟试验器深沟球轴承对发动机风扇轴的约束效果；轴承座下半部对试验件进行径向约束，主要用来模拟试验器轴承对发动机风扇轴约束的效果。轴承座的刚度具体设计要求为：上轴承座径向刚度为6000N/mm，下轴承座径向刚度为25000N/mm。此次轴承座有限元模型是由板壳元所建立的，下轴承座的上部加以约束，主要用来模拟轴承座与试验件固定座的连接效果。

1.2 套齿啮合设计

一般情况下，发动机风扇轴内部都会有内齿设计结构，以便使其扭矩荷载施加到试验件上[1]。本次研究设计了一个拥有外齿结构的套齿卡键上半部与试验器其他部位进行连接，此连接方式由于可不移动，可视为刚性连接，其连接作用为利用套齿卡键向试验件传递扭矩荷载；对于套齿卡键下半部分来说，套齿卡键上的外齿结构与试验件内齿进行啮合连接，使其通过套齿卡键将扭矩传达到试验件上。扭矩荷载通过套齿卡键与试验件内齿啮合接触的形式进行传递，在试验过后，将套齿卡键与试验件相啮合接触的一对齿进行分析研究，同时采用体元建立有限元模型，模拟其接触啮合关系。

2 发动机风扇轴试验器关键结构有限元分析

2.1 轴承座刚度分析

现阶段，我国对于发动机的研发已经获得了显著成果，低能耗、高效率、低噪音、高输出的发动机能够满足大多数用户的需求[2]。然而，发动机质量仍有许多问题，轴承座刚度是影响发动机质量的重要因素。轴承座刚度随着重量减轻而逐渐减小，同时随着发动机燃烧方式的改变，其需要承受更高的功率，这导致轴承在极度苛刻的操作条件下工作。为了使其设计更加可靠、稳定，对轴承座刚度进行分析是十分必要的。为了验证轴承座刚度是否满足其设计需求，本次研究对下轴承座上半部进行加固约束，同时对于上轴承座与下轴承座的连接处运用MPC模拟螺栓进行连接，在试验过程中对下轴承座下半部施加25000N荷载，在施加端最大位移为0.814mm，下轴承座刚度数值为30713N/mm，而下轴承座径向刚度设计数值为25000N/mm，减去20%的设计余量，其试验数值大于设计数值刚度，满足轴承座刚度设计要求。对于上轴承座上半部来说，在上半部加以25000N荷载，施加部位最大位移为0.359mm，刚度为69638N/mm，上轴承座径向刚度设计值为60000N/mm，减去20%的设计余量，其试验数值大于设计数值，刚度满足设计要求。

2.2 轴承座强度分析

发动机在运行过程中，轴承座将承受强烈的荷载作用，这些荷载作用包括螺栓预紧荷载、曲轴动荷载及热负荷[3]。在进行轴承座强度分析时，通常情况下，轴承座对试验件起到支持作用，其主要承受试验弯矩和轴向荷载，轴向荷载主要由深沟球的轴承上半部承担；在受到弯矩作用时，试验件会产生形变，同时上半部以及下半部轴承座承受着来自相反方向的作用力，此时试验件中形成力偶。在对轴承座施加弯矩作用以及轴向荷载时，轴承座所受最大应力值为661MPa，处在下轴承座开孔上半部，接近上轴承座和下轴承座连接处的开孔所受应力也较大；轴承座应力值在比较平均处的最大值为550MPa，处于上轴承座下半部的开孔附近。而轴承座材料的强度极限为1175MPa，高于其上轴承座以及下轴承座的强度，根据所得数据结果进行分析可知，轴承座的强度满足相关要求。

2.3 套齿啮合接触力分析

扭矩荷载的传递是通过套齿啮合接触方式进行，本次研究试验共有44对齿，应力值较大[4-5]。本次研究考虑其具体受力情况，只取一对套齿进行研究分析。假设每对齿的接触严密程度相同，同时所承受的扭矩作用也完全相同，其受力呈现均匀分布，其产生的弯矩与扭矩相同。另外，采取ABAQUS有限元软件的主从接触算法进行线性分析，其套齿接触所受最大应力为312.1MPa，应力平均处为200MPa；试验件接触面的最大应力为605.1MPa，应力均匀处为350MPa。而所采用的套齿卡键材料为35CrMnSiA，此材料极限为1600MPa，屈服强度为1654MPa，经过分析得出结论，套齿卡键与试验件的强度满足要求。

3 结语

发动机风扇轴在运行过程中承受多种荷载的作用，发动机风扇轴试验器是进行风扇轴试验的专用设备，试验器的刚度强度很大程度影响试验结果的准确性、真实性。因此，本文对试验器轴承座的刚度和强度进行详细分析，同时对套齿啮合接触应力进行分析。结果表明，轴承座刚度与强度满足设计要求，同时套齿卡键以及试验件关键部位的强度满足设计要求。本次研究结果可以为我国发动机研发事业提供有效的数据支持。

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