基于ANSYS的某涡轴发动机复杂外部管路振动分析

2021-08-02张海彪邹子剑王立

中国科技纵横 2021年9期

关键词：卡箍管接头管路

张海彪邹子剑王立

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002）

航空发动机管路用于输送滑油、燃油和空气等，是发动机的“心血管”，其外部管路通常采用管接头、卡箍进行连接和安装，形成复杂的外部管路系统。

管接头、卡箍的使用势必对管路系统的振动特性产生影响，由于连接件尤其是卡箍的建模情况复杂，目前的航空发动机外部管路工程设计中，通常只考虑管路的动力特性而忽略连接件对系统振动特性的作用，其结果虽简化了计算，但会产生较大误差[1-2]。

本文基于有限元法，建立了常见管路、管接头、卡箍的模型，在此基础上，利用有限元软件ANSYS对某涡轴发动机复杂外部管路进行了仿真分析，并通过与模态试验结果对比，验证了模型的准确性，可为航空发动机复杂外部管路设计提供参考。

1.有限元模型建立

1.1 管路模型建立

ANSYS中SOLID单元、SHELL单元和PIPE单元都适用于外部管路建模，通过对某管路分别采用三种单元建模计算，得到其各阶模态对比如图1所示，可见三种单元结果具有一致性，都能用于管路的仿真分析，本文选用其中建模单元数较少，计算时间较短的PIPE单元来建立管路模型。

图1 三种单元各阶模态计算结果

1.2 管接头模型建立

对管接头而言，其刚度大，可直接简化为管路周围一圈不同属性的材料[3]，有限元模型采用SOLID185实体单元建立，如图2所示。

图2 管接头建模

1.3 卡箍模型建立

对发动机外部管路卡箍而言，可分为刚性卡箍和弹性卡箍2种，如图3所示，刚性卡箍将管路固定在刚性支架上实现刚性支撑，与管路可视为固接；弹性卡箍为弹性板料并内衬有聚四氟乙烯衬套，安装在具有弹性的支架上，既能支撑固定管路，又起减振作用[4]。

图3 常见卡箍形式

在研究振动问题时，将刚性卡箍按固定支撑处理，有限元中在相应位置施加位移全约束条件；对弹性卡箍，需同时考虑刚度和阻尼的作用，在ANSYS中可采用1维轴向弹簧单元COMBIN14来模拟其力学特性，如图4所示，COMBIN14单元实质是弹簧-阻尼器，其由两个节点，一个弹簧常数（k）和阻尼系数（cv）1和（cv）2组成，在管路的模态分析中，可按如下步骤完成卡箍的力学模拟[5]。

图4 弹性卡箍实体和模型

（1）添加COMBIN14单元，并指定其为1维轴向弹簧—阻尼器（根据卡箍支承方向选择自由度）；

（2）通过实常数给定轴向刚度即可，单位是“力/长度”；

（3）在已有有限元模型基础上，使用COMBIN14单元连接卡箍所在位置的节点，为保证周向刚度均匀，一般一个卡箍可采用2个COMBIN14单元进行模拟。

2.某涡轴发动机复杂外部管路振动分析

2.1 管路实体模型

选取某涡轴发动机外部复杂管路如图5所示，此管路由两根导管通过管接头连接而成，在1、2、3位置处布置弹性卡箍。管路使用的材料为1Cr18Ni9Ti，弹性模量2.1e5MPa，泊松比为0.3，密度7900kg/m3，管路外径为8mm，壁厚为1mm。

图5 管路实体模型

2.2 有限元分析

管路建模采用PIPE单元，外径8mm，壁厚1mm，周向划分24份，对管路中心线进行线网格划分，共582个PIPE单元，管路两端可看作固支，在两端节点施加全约束。

在研究管路振动问题时，卡箍质量的影响可以不计，在ANSYS中用弹簧单元COMBIN14来模拟，若为求解管路的振动响应，卡箍建模时需同时考虑刚度和阻尼，本文只求解系统的固有模态，阻尼系数的影响可以忽略，只考虑刚度作用，具体方法如下：选取COMBIN14单元对管路上布置卡箍处施加弹支，其中，根据卡箍支承方向，1号支点加X和Y两个方向弹支，2号和3号支点施加Y和Z两个方向弹支，通过卡箍刚度试验测得其刚度为120N/mm，然后对整个系统进行模态分析，得到各阶振型和频率如图6所示。