基于ABAQUS的航空发动机涡轮盘强度分析

张希豪，黄亿洲，刘峥序

(1.航空工业陕西飞机工业(集团)有限公司，陕西 汉中 723200；2.南京航空航天大学 能源与动力学院，江苏 南京 210001；3.上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200444)

0 引言

航空发动机是飞行器的心脏，被誉为工业皇冠上的明珠。涡轮盘是航空发动机的核心部件，其结构复杂、转速高、工作温度高，其可靠性直接影响飞行安全。发动机结构故障中疲劳破坏占比八成以上[1]，因此研究涡轮盘低循环疲劳寿命是十分必要的。本文利用ABAQUS有限元软件，对某型航空发动机涡轮盘进行离心载荷和温度载荷下初步的强度分析，为后续涡轮盘低循环疲劳寿命实验分析奠定基础。

1 涡轮盘模型的构建

某型航空发动机涡轮盘有着如下结构特征：涡轮盘轮缘上均布有24个榫槽。涡轮盘具有旋转对称性，故在本文中应用SolidWorks软件，取涡轮盘1/4扇形对称体进行建模，建立的涡轮盘模型如图1所示。

图1 涡轮盘模型

该型涡轮盘的材料为GH698型高温合金，各温度下材料的力学性能参数[2]如表1所示。

表1 GH698型高温合金各温度下的力学性能参数

2 计算模型的建立

2.1 计算网格的划分

本文使用ABAQUS中网格模块进行计算网格的划分，使用四面体网格，单元选择三维应力单元，网格划分后得到的有限元模型如图2所示。

图2 涡轮盘有限元模型

2.2 载荷及边界条件

2.2.1 离心力载荷

在ABAQUS中离心力载荷通过旋转体力的方式施加在研究对象上，而旋转体力以转速的方式产生作用，本文中取1 800 rad/s为涡轮盘工作转速。

2.2.2 温度载荷

涡轮盘工作过程中，其径向温度分布可以根据二次曲线计算得出[3]，该函数解析式如下：

(1)

其中：x为温度计算点的半径；T(x)为半径x处的温度；Ta为中心孔处的温度；Tb为榫槽顶端的温度；Ra为中心孔处的半径；Rb为榫槽顶端的半径。

将式(1)作为解析场函数表达式，在预定义场中加载温度载荷。本文中选取涡轮盘正常工作下工况[4]，中心孔温度Ta为300 ℃，榫槽顶端温度Tb为500 ℃。另外，Ra取35 mm，Rb取140 mm，将以上数据代入式(1)，得到解析场温度函数：

(2)

加载后的涡轮盘温度分布如图3所示。

图3 涡轮盘温度分布

2.2.3 边界条件

涡轮盘为旋转体，取得的1/4扇形对称体具有周期对称的性质，其两端截面为周期对称面，在计算模型的周期对称截面上设置边界条件，约束其周向位移为0；涡轮盘正常工作时，轴向不发生窜动，选择内径上一条边，约束其轴向位移为0。涡轮盘加载边界条件设置如图4所示。

图4 涡轮盘加载边界条件设置

3 涡轮盘计算结果

分别对单独加载离心力载荷、单独加载温度载荷以及两种载荷共同作用的情况提交ABAQUS进行作业。图5为单独加载离心力载荷的涡轮盘变形与应力云图，图6为单独加载温度载荷的涡轮盘应力和变形云图，图7为两种载荷共同加载的涡轮盘应力和变形云图。

图5 单独加载离心力载荷涡轮盘变形和应力云图

图6 单独加载温度载荷涡轮盘应力和变形云图

图7 同时加载两种载荷涡轮盘应力和变形云图

单独加载离心力载荷时，涡轮盘等效变形如图5(a)所示，涡轮盘的最大等效变形出现在盘最外缘，为0.077 52 mm，除盘侧凸边外，整盘变形趋势随半径增大而增大；其中盘侧凸边上变形较小，原因为凸边一圈在加载旋转体力时可视作内径完全约束且半径较小的圆盘，受到的离心力载荷较小，变形较小。如图5(b)所示，最大Mises应力出现在该型涡轮盘榫槽底部，最大值为429.6 MPa，结合图5(d)所示的周向应力分布云图，周向应力最大值为528.6 MPa，出现在榫槽底部小圆孔处，说明该型涡轮盘榫槽底部圆孔处出现应力集中现象。如图5(c)所示，最大径向应力值为413.5 MPa，分布在轮外缘与轮盘主体连接薄弱处，该部分截面积大小发生突变，呈现出应力集中现象。综上，对该型涡轮盘强度水平影响较大的因素主要为：榫槽底部圆孔尺寸设计与径向截面面积突变导致的应力集中问题。

单独加载温度载荷时，涡轮盘等效变形如图6(a)所示，最大变形约为0.720 2 mm，出现在涡轮盘外缘处，整体变形量趋势随着温度梯度由内到外的升高而增加。结合图6(b)和图6(c)，涡轮盘受到温度载荷影响产生的最大Mises应力为663.8 MPa，出现在榫槽底部，而该等效应力很大程度上由周向应力提供，最大周向应力为压应力，出现原因为涡轮盘外缘膨胀变形程度最大，体现在每个榫槽内，就变成了对榫槽底部极强的挤压，出现了较大的压应力，大小为767.5 MPa。综上，影响涡轮盘温度应力水平的主要因素为榫槽底部周向的压应力。

同时加载离心力载荷与温度载荷后，涡轮盘等效变形如图7(a)所示，最大变形量为0.800 3 mm，出现在涡轮盘外缘上，对比单独施加载荷状态下的变形情况，可以得出涡轮盘变形主要由温度载荷引起。如图7(b)所示，Mises应力最大值为475.6 MPa，出现在涡轮盘内径上。如图7(c)所示，径向应力最大值为484.0 MPa，出现在盘与外缘截面积突变部分。如图7(d)所示，分布在榫槽底部的周向应力为压应力，数值大小为306.4 MPa，小于单独施加温度载荷时的情况。说明在榫槽底部，离心力载荷产生的拉应力与温度载荷产生的压应力在一定程度上相互抵消。

4 强度校核

由图5～图7可知，该型涡轮盘应力水平较为危险的位置出现在榫槽底部小圆孔处以及盘与外缘连接截面积突变部分，故本文对这两位置局部安全系数进行强度校核[5]。局部安全系数计算公式为：

(3)

5 结论与展望

本文应用ABAQUS软件对某型涡轮盘进行了强度分析，为后续涡轮盘低循环疲劳寿命实验分析提供了一定的参考，并奠定了研究的基础。

本文在计算时，将研究集中于涡轮盘本身的离心力载荷与温度载荷上，忽略了涡轮盘正常工作时叶片旋转与温度变形对涡轮盘的影响。在后续的工作中，应对其进行完善。