景曉東 王克明 張婷婷 孫陽(yáng)

【摘要】根據(jù)溫度場(chǎng)分段插值方法對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度場(chǎng)求解，并利用得到的溫度場(chǎng)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜子熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，通過(guò)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析計(jì)算，得到了該型航空發(fā)動(dòng)機(jī)在溫度場(chǎng)作用下的振動(dòng)特性，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的合理性。

【關(guān)鍵詞】航空發(fā)動(dòng)機(jī) 場(chǎng)序耦合方法 模態(tài)分析 諧響應(yīng)分析

1引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的靜子支承結(jié)構(gòu)是連接發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)動(dòng)機(jī)其他部件的主要承力結(jié)構(gòu)，靜子系統(tǒng)包含航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的機(jī)匣以及簡(jiǎn)單的靜子葉片，不包含轉(zhuǎn)子葉片、復(fù)雜的附件系統(tǒng)。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展以及發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷水平的提升，發(fā)動(dòng)機(jī)靜子結(jié)構(gòu)承受熱載荷作用下的工作特性研究越來(lái)越多，因?yàn)樗苯佑绊懼D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了很多關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與溫度場(chǎng)耦合問(wèn)題的研究工作。

本文利用溫度場(chǎng)分段差值方法對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜子結(jié)構(gòu)開(kāi)展了場(chǎng)序熱-結(jié)構(gòu)耦合分析研究。

2場(chǎng)序熱-結(jié)構(gòu)耦合方法

本文所研究的問(wèn)題中溫度場(chǎng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)靜子結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響可以看作為單向影響，正適合采用場(chǎng)序熱-結(jié)構(gòu)耦合方法。該方法先利用初始溫度條件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析，得到結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)下的節(jié)點(diǎn)溫度文件，然后轉(zhuǎn)換分析單元，導(dǎo)入結(jié)構(gòu)材料特性曲線(xiàn)，將熱分析中的得到的節(jié)點(diǎn)溫度文件導(dǎo)入并作為溫度載荷施加到結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上去，最后進(jìn)行分析計(jì)算，求解并得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性數(shù)據(jù)。

穩(wěn)態(tài)溫度-空間場(chǎng)數(shù)據(jù)復(fù)雜，直接施加于結(jié)構(gòu)難度較大，在施加溫度邊界條件之前應(yīng)對(duì)該溫度邊界條件進(jìn)行適當(dāng)化簡(jiǎn)，目前可以采用的方法有線(xiàn)性分段插值方法，即先將溫度初始條件進(jìn)行分段差值，然后將處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)，利用有限元軟件自身的插值計(jì)算能力求解出初始溫度條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布狀況。

3熱-結(jié)構(gòu)耦合的計(jì)算求解

3.1材料特性和溫度初始條件

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)值簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)溫度初始條件[5]，進(jìn)一步提取關(guān)鍵位置的溫度數(shù)據(jù)，就能夠通過(guò)有限元軟件對(duì)溫度初始條件進(jìn)行分布插值運(yùn)算，從而得到靜子結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的溫度分布情況，進(jìn)一步提取熱分析中得到的溫度空間場(chǎng)，就得到了在結(jié)構(gòu)分析中需要的溫度載荷條件，這樣就可以完成溫度載荷的施加。溫度載荷施加過(guò)程還應(yīng)當(dāng)注意單元類(lèi)型的轉(zhuǎn)換，由于場(chǎng)序熱-結(jié)構(gòu)耦合方案下的分析包括熱分析與結(jié)構(gòu)分析兩大部分，而在不同分析時(shí)對(duì)有限元網(wǎng)格單元的要求也不一樣，本文中首先計(jì)算結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)，在A(yíng)NSA網(wǎng)格劃分軟件導(dǎo)出的有限元模型數(shù)據(jù)文件中先將單元類(lèi)型設(shè)為熱分析單元solid70，在后續(xù)的機(jī)構(gòu)分析中可以使用有限元軟件自身的單元轉(zhuǎn)換工具將熱單元solid70轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元solid185，通過(guò)這種轉(zhuǎn)換，使得分析能夠在熱、結(jié)構(gòu)兩個(gè)求解領(lǐng)域中連續(xù)而穩(wěn)定。

3.2熱應(yīng)力求解

如前所述通過(guò)對(duì)于結(jié)構(gòu)的熱分析得到的溫度分布狀態(tài)將作為后續(xù)分析的初始條件，首先采用提取空間溫度場(chǎng)的方法得到結(jié)構(gòu)空間-溫度載荷文件，在之后的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析中，調(diào)用該文件作為溫度載荷施加于結(jié)構(gòu)之上，這樣就完成了溫度載荷在結(jié)構(gòu)上的施加。

求解得到常溫狀態(tài)和溫度場(chǎng)作用下結(jié)構(gòu)前十階固有模態(tài)，如表一所示。

表1固有頻率對(duì)比圖（單位：Hz）

由上表可見(jiàn)結(jié)構(gòu)在溫度場(chǎng)的作用下固有頻率同常溫狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果相比較要低一些。

用同樣的計(jì)算方法對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜子常溫狀態(tài)下和溫度場(chǎng)作用下進(jìn)行諧響應(yīng)分析計(jì)算得到頻率響應(yīng)函數(shù)圖如圖1所示

從溫度場(chǎng)作用下與常溫狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)圖中可以看出常溫狀態(tài)下響應(yīng)函數(shù)在第三階固有頻率處出現(xiàn)峰值，而在溫度場(chǎng)作用下響應(yīng)函數(shù)在第四階固有頻率下出現(xiàn)峰值。

4結(jié)語(yǔ)

（1）考慮溫度場(chǎng)作用下的靜子結(jié)構(gòu)固有頻率計(jì)算值要低于常規(guī)方法不考慮溫度場(chǎng)情況下的計(jì)算值，較好的驗(yàn)證了溫度場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題求解的修正特點(diǎn)。（2）由頻率響應(yīng)圖可知，在溫度場(chǎng)改變了靜子結(jié)構(gòu)的固有頻率下，響應(yīng)函數(shù)的峰值也隨之改變。（3）溫度場(chǎng)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜子的模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析都有著較大的影響。

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