基于接触分析方法的机匣安装边密封性研究

周伟朋，刘仕运

(中航工业沈阳发动机设计研究所 航空发动机总体设计一部，沈阳 110015)

机械工程

基于接触分析方法的机匣安装边密封性研究

周伟朋，刘仕运

(中航工业沈阳发动机设计研究所 航空发动机总体设计一部，沈阳 110015)

针对某型航空发动机外涵机匣开环形槽结构的安装边，建立了包括安装边和连接螺栓的有限元计算模型。采用有限元接触分析方法对安装边结合面的接触应力和接触间隙进行了计算，分析了安装边螺栓孔距、安装边厚度和开槽深度对安装边密封性的影响。结果表明，安装边开环形槽结构有利于密封，适当增加安装边螺栓数和安装边厚度可改善其密封性。

航空发动机；机匣安装边；密封性；接触分析

安装边接触面的接触应力及变形，是影响安装边的密封性的主要因素。文献[1][2]利用实验和理论解析相结合的方法对机匣安装边结构力学特性进行了分析，重点研究了安装边与机匣壳体转接圆处的应力集中问题。受解析计算的局限性，机匣安装边接触问题没有得到展开讨论。

随着接触问题研究的发展以及有限元分析技术的提高,国内外学者对法兰连接的接触分析及垫片接触应力的数值计算开展了大量研究，研究成果为具有密封垫片的法兰连接设计提供了重要指导作用[3-13]。而对于金属面直接接触的机匣安装边密封性研究却鲜见报道。

本文采用有限元计算方法分析了某型发动机外涵机匣安装边的密封性问题，对影响安装边密封的接触应力和脱开间隙进行了计算，同时还研究了螺栓孔距、安装边厚度和开槽深度对安装边密封性的影响。

1 计算模型

某型航空发动机外涵机匣为分段式，包括前段外涵机匣和后段外涵机匣，两段机匣通过横向安装边连接。其中，前段机匣安装边结合面设计为环形槽结构。忽略机匣上孔槽、焊缝等结构，以及安装边上安装支架，建立机匣安装边几何模型(如图1)。为分析开槽结构对安装边密封性的作用，以图1 的开槽机匣安装边为原型，同时建立了安装边结合面为平面的模型。

图1 机匣安装边几何模型

采用三维有限元模型模拟机匣安装螺栓连接，考虑安装边螺栓沿环向均匀分布，取安装边循环对称的一部分进行建模。本文使用有限元软件Ansys进行计算[14]，对安装边和螺栓采用六面体单元划分网格，有限元模型见图2。

图2 机匣安装边网格划分

计算载荷主要包括螺栓拧紧力矩、气体压差载荷，机匣轴向力[15]。机匣前段施加轴向约束，安装边模型侧向施加对称约束，安装边对接面和止口部分施加接触边界条件(如图3所示)。

图3 计算载荷和边界条件

2 计算结果与分析

2.1 接触应力

为了实现中华民族伟大复兴，真正贯彻和落实执政为民的思想，县级党政机关需要认识到环境执法监测工作的必要性，针对当前主要问题提出对策，以期为建设碧水青山作出贡献。

图4为施加全部外载条件下，槽形结构和平面结构安装边结合面接触应力分布情况。从图中可以看出，槽形结构安装边接触应力分布在槽的内边和外边，在远离螺栓孔区域的接触应力减小。平面结构安装边结合面接触应力仅集中在螺栓孔附近区域，其它区域接触应力基本为0 MPa。

2.2 接触间隙

图5中给出槽形结构和平面结构安装边结合

图4 安装边结合面接触应力

面间隙分布，总体上两种结构安装边结合面上的间隙沿径向自内向外逐渐减小，呈现“张嘴”形式。平面结构安装边结合面仅在螺栓孔周围区域紧密结合，其它区域均存在间隙，尤其两螺栓孔中间区域间隙最大，是密封的薄弱区域。与平面结构安装边相比，槽形结构安装边沿槽内、外边的间隙较小，尤其槽外边间隙基体为0 mm。

图5 安装边结合面间隙

在同样载荷条件下，开槽结构安装边槽的内、外边与平面结构安装边对应位置的间隙对比见图6，环形槽结构安装边的开槽外边处间隙基本为0，内边处接触为0的区域比平面结构安装边相应位置略长，但在远离螺栓位置间隙较大。平面结构安装边在内、外边处间隙为0的区域小，且大间隙的区域较宽。

图6 开槽内外边间隙对比

图7为两螺栓孔中间位置的间隙沿径向分布情况，在相同载荷条件下开槽结构安装边槽内侧“张嘴”要比平面结构的大，但在环形槽的两侧边的间隙较小。

图7 两螺栓孔中间位置的间隙沿径向分布

结果可以看出，由于机匣安装边较薄，平面结构的安装边刚度低，在螺栓预紧力的挤压作用下，出现翘曲变形，两螺栓中间区域翘起产生间隙，同时在内压作用下出现弯曲，安装边内侧出现“张嘴”，因此安装边的密封性较差。

在安装边中间开环形槽后，虽然进一步降低了安装边的刚度，加大了内侧“张嘴”，但利用施加螺栓预紧下的弹性变形，提高槽的两侧边的接触应力，降低开槽两边的间隙，尤其槽外侧整圈基本是接触的，相对于平面结构安装边可以提其高密封性。

3 安装边参数变化对密封性影响

3.1 螺栓孔距

图8和图9为螺栓间距不同，其它结构参数和工作载荷相同条件下，安装边的开槽内、外边位置的间隙计算结果。

图8 不同螺栓间距开槽内边间隙计算结果

从开槽内、外边间隙计算结果看，随安装边螺栓间距降低(螺栓增加)，开槽内边存在间隙的区域减小，间隙最大值也相应降低。与之相反，开槽外边存在间隙的区域增大，间隙最大值变大。

图9 不同螺栓间距开槽外边间隙计算结果

两螺栓孔中间间隙计算结果表明，适当降低螺栓孔距(即螺栓数增加)可以改善开槽内边的接触情况，提高密封性。综合来看，开槽结构的安装边螺栓孔距在30～40 mm中较为合适。

3.2 安装边厚度

图10和图11为两安装边厚度分别为2.6 mm、3.1 mm、3.6 mm和4.1 mm状态下的环形槽内、外边位置间隙计算结果。

图10 不同安装边厚度开槽内边间隙计算结果

图11 不同安装边厚度开槽外边间隙计算结果

计算结果表明，安装边增加厚度后，刚性得到提高，槽内边间隙和两螺栓中间位置间隙均明显减小。此外，厚度为4.1 mm的安装边开槽外边间隙最大值相比于其它厚度的安装边虽有所增加，但接触区域相比于薄安装边是增大的。开槽结构的安装边厚度建议可在3～4 mm中适当选择。

3.3 开槽深度

在安装边厚3.6 mm条件下，选择槽深为0.2 mm、0.3 mm和0.4 mm三种状态，分析不同槽深安装边接触面间隙分布。图12和图13为不同槽深的安装边槽内、外边位置间隙计算结果。

从计算结果看出，三种开槽深度的安装边的槽内、外边间隙和两螺栓中间位置间隙基本相同，因此，开槽深度一般建议选择0.2 mm。

图12 不同槽深开槽内边间隙计算结果

图13 不同槽深开槽外边间隙计算结果

4 结 论

通过开槽结构安装边和平面结构安装边的接触应力和接触间隙计算，不同结构参数安装边的密封性分析，可以得到以下认识：

(1)安装边结合面开槽有利于提高安装边密封性。

(2)对于开槽结构安装边，适当降低螺栓孔距(即螺栓数增加)可以改善开槽内边的接触情况，提高其密封性。

(3)安装边适当增加厚度，使安装边的刚性加强，可以减少安装边翘曲变形和弯曲变形，进而降低安装边结合面的间隙，有利于提高安装边密封性。

(4)开槽深度对的槽内边间隙和中间间隙基本没有影响。

[1]董本涵,高鹏飞,王振华.机匣安装边应力分析的混合法[J].航空发动机,1996(2):23-29.

[2]董本涵,高鹏飞,王举.机匣安装边结构研究[J].实验力学,1996(4):378-385.

[3]陈勇.航空发动机静子机匣螺栓连接结构优化设计和研究[D].沈阳：沈阳航空航天大学，2012.

[4]杨韶.航空发动机螺栓连接优化设计方法研究[D].成都：电子科技大学，2007.

[5]谢建华，崔新维，马卫彬，等.螺栓联接结合面接触分析及试验研究[J].农业工程学报,2011,27(5):147-150.

[6]周先军.高温大口径法兰瞬态密封设计方法研究[D].东营:中国石油大学(华东),2008.

[7]石秀勇，李国祥，胡玉平.基于接触分析的气缸盖/气缸套密封性能研究[J].润滑与密封,2006,177(5):111-114.

[8]Norman F Knight Jr,Dawn R Phillips.Stress Analysis of Bolted Segmented Cylindrical Shells Exhibiting Flange Mating-Surface Waviness[J].50th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures,Structural Dynamics,and Materials Conference,2009,Palm Springs,California.1-20.

[9]Hichem Galai,Abdel-Hakim Bouzid Analytical Modeling of Flat Face Flanges with Metal-to-Metal Contact Beyond the Bolt Circle[J].ASME,2009,Pragne,Czech Republic.061207-1-8.

[10]徐超,郑晓亚,余绍蓉,等.法兰环切口对连接力学行为的影响分析[J].机械强度，2012，34(2):245-249.

[11]杜鹃.螺栓法兰连接件的三维有限元及紧密性能分析[D].大庆:东北石油大学,2011.

[12]范淑玲.金属与金属接触型螺栓法兰接头完整性的研究[D].上海：华东理工大学，2013.

[13]吕明，谢禹钧，刘复民.基于有限单元法的法兰连接中的接触分析[J].当代化工，2012:1278-1280.

[14]祝效华,余志祥.ANSYS高级工程有限元分析范例精选[M].北京：电子工业出版社,2004.

[15]高德平，范引鹤，等.航空涡喷、涡扇发动机 结构设计准则(研究报告)，第四册机匣[M].中国航空工业总公司发动机系统工程局,1997.

(责任编辑：吴萍 英文审校：刘红江)

Researchonthesealperformanceofaero-enginecaseflangebasedonthecontactanalysis

ZHOU Wei-peng，LIU Shi-yun

(Aero-engine Design 1st.Dept,Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China)

A finite element model including the flange and bolt is built to study the characteristics of flange,a part of the bypass duct case in an aero-engine,with groove on the surface.The contact stress and clearance are calculated based on the contact analysis.The effects on the flange of the distance of the bolt hole,the thickness of the flange and the depth of the groove are studied.The results show that the sealing performance can be improved by introducing annular groove on the surface or increasing the bolt numbers or increasing the thickness of the flange.

aero-engine;case flange;sealing performance;contact analysis

2014-06-16

周伟朋(1982-)，男，山东平度人，工程师，主要研究方向：航空发动机总体结构，E-mail:zwp_houei@163.com。

2095-1248(2014)04-0065-05

V232

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.04.013