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發動機改型壓氣機盤結構強度有限元分析

發布于:2022-04-27 08:51
有限元分析

      壓氣機作為發動機的增壓部件,其增壓比的提高可有效提升發動機的功率,為適應某型飛機動力提升的需要,開展某型航空發動機離心壓氣機的改進設計研究。高速旋轉的壓氣機部件,其結構強度的滿足是發動機可靠工作的前提。本文對改型壓氣機的輪盤進行結構強度有限元分析和優化,為該型壓氣機的改進設計提供了重要依據。
      應力計算需提取單獨Von-mise應力,其選取設計準則為:輻板當量應力不大于許用屈服應力,即σeq,w≤[σ0.2]。根據盤心和盤身的工作環境溫度,選取相應的許用屈服極限,取盤心許用屈服應力為795MPa,盤身許用屈服應力為595MPa。不考慮葉片的影響,基于輪盤的軸對稱特性,采用PLANE183八節點平面單元,單元選項設置為軸對稱。自由劃分網格,有限元邊界條件為葉盤一端約束軸向位移,并施加繞軸向的離心載荷,有限元模型如圖1所示。
      利用ANSYS計算得到輪盤應力分布如圖2所示,應力集中區局部應力如圖3所示,盤心處應力如圖4所示。
      由以上的計算結果可知,在凹槽1和尖銳2拐角處出現了應力集中,并且應力很大,都超過了1400MPa,同時兩處應力集中點均處在高溫區,強度條件不能滿足。同時,盤心應力在不考慮葉片的前提下最大應力達到了660MPa,安全裕度在考慮葉片之后也會很小。因此輪盤初始設計不能滿足強度要求,需要進行結構的改進和優化。
      單元,設置為軸對稱,采用自由劃分網格,有限元邊界條件為輪盤一端約束軸向位移。利用ANSYS進行有限元計算,得到其Von-mise應力分布如圖6所示。由圖6可以看出,盤心處最大應力為643MPa,盤身處最大應力為586MPa,輪盤應力都已滿足靜強度要求,均小于相應溫度下的許用屈服應力。
      考慮葉片的影響,建立改型葉盤的有限元模型,采用Solid185單元。邊界條件為葉盤一端約束軸向位移,葉盤內孔約束周向位移。利用ANSYS,計算得到的葉盤各坐標方向(徑向、周向、軸向)位移、合成位移(各最大位移及其位置如表1所示)和葉盤合Von-mise應力分布。
      本文在建立了某型發動機改型壓氣機模型的基礎上,對其輪盤進行了初始結構強度分析得知,在凹槽1和尖銳2拐角處的強度條件不能滿足,因此需要進行結構的改進和優化。優化后的輪盤,經單獨強度校核和考慮葉片影響的葉盤變形及應力分析,其結果表明盤心和盤身的應力均滿足靜強度要求,從而為某型發動機的壓氣機的改進提供了重要參考。


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