发动机导流装置强度计算分析

汤礼军

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西 西安 710089

引言

在飞机结构设计中，一般情况下按照静强度准则已足以满足使用要求。对于处于复杂环境中的结构，内外表面因存在巨大的温度差，而产生很大的热应力，虽然结构的常温静强度裕度系数较大，但常常会因为热应力而导致结构破坏。

发动机导流装置是用来保护机身蒙皮免受发动机高温气流的热蚀，承受飞机飞行时的气动载荷以及发动机高温气流热载荷，工作环境恶劣[1]。目前，对发动机导流装置的结构强度分析，仅仅是考虑气动载荷的静强度分析，尚未建立发动机导流装置的热应力有限元计算模型[2]。由于发动机导流装置存在大量不同材料的连接，受温度影响将导致材料的热变形和热膨胀失配，进而产生热-应力耦合可靠性问题。因此发动机导流装置的热应力分析对结构的强度校核至关重要。

为了获取发动机导流装置在最大工作状态下的温度场分布和热应力状况，应用有限元的方法建立了有限元模型，根据发动机导流装置整体安装结构的温度情况，确定了边界条件，对发动机导流装置在最大工作状态下的温度场分布和热应力进行了计算，同时与发动机导流装置在气动载荷下的应力场分布进行比较。对比结果为发动机导流装置结构改进设计提供了必要的依据。

1 有限元热应力计算描述

现有的各种结构有限元素法分析软件均有热应力计算功能，按指定的格式输入必要的数据，即可执行计算得到结果[3]。一般软件提供两种热应力计算途径：一种方法为用同一个有限元模型作温度计算和应力分析，应力分析时需要执行两个过程，先进行热分析，即按指定的热条件和边界条件计算结构的节点温度，然后将模型中各节点的温度作为输入文件，进行有限元模型节点的位移和应力的计算；另一种方法为结构的热分析和热应力计算用不同的模型或者不同的手段分别完成，应力分析时由用户提供有限元模型所有节点的温度或者提供全部元素的平均温度，由程序根据节点温度或元素平均温度计算等效热载荷，最后完成应力分析。

2 发动机导流装置有限元模型的建立

2.1 网格划分

发动机导流装置的有限元建模及求解采用Patran程序完成，后处理采用Nastran程序完成[4]。网格划分应把有限元模型的节点、单元的分界线或分界面设置在相应的不连续处，同时载荷的简化不能跨越主要受力构件，网格过渡应按单元尺度突然变化为最小的原则来处理。对于几何形状突变和过渡圆角应采用较小的单元、较密集的网格，为了获得较好的热应力结果，单元最大尺寸和最小尺寸之比不应超过3。温度梯度较小的方向，单元尺寸可以加大。

根据发动机导流装置真实结构和单元类型的力学特性，壁板蒙皮和隔框腹板简化为板壳单元，隔框的框缘简化为梁单元，壁板长桁简化为杆单元。为了减少计算过程中信息和数据的传递，方便将温度场分析结果作为载荷输入到热应力分析模型，温度计算与应力分析采用相同的有限元模型，有限元计算模型见图1。

图1 发动机导流装置有限元模型示意图

2.2 边界条件及载荷

发动机导流装置底部与机身蒙皮通过多排铆钉连接，可以看作固支，约束3个平动自由度和3个转动自由度；端部导流环与发动机舱通过单排铆钉连接，可以按简支处理，约束3个方向的平动自由度。

发动机导流装置主要承受气动载荷和温度载荷，应力分析时分别对两种载荷情况进行计算。根据气动力分布计算结果，在发动机导流装置的蒙皮上施加0.01648MPa的均布压力；温度场计算时，机身连接处的发动机导流装置蒙皮和端部导流环部分远离高温气流，温度取40℃，中间蒙皮受高温气流辐射，温度取120℃；参考温度取25℃。

2.3 材料参数

表1 线膨胀系数

表2 导热系数

3 计算结果与分析

热应力的计算时根据已有的温度数据,利用热分析模块对发动机导流装置的稳态温度场分布进行计算[6]，将温度场的计算结果建立场，换算成等效节点温度载荷，导入到结构分析模型中，作为热应力计算过程的载荷，即间接耦合的方式。

根据发动机导流装置温度场计算结果,计算表明发动机导流装置结构温度分布梯度比较平缓，导流器中间蒙皮处温度较高为120℃，导流器与机身连接处温度较低为40℃。

考虑温度场时，发动机导流装置计算结果见图2。由图2可知，发动机导流装置后部由于温度场分布均匀和较好的边界条件，应力值在200MPa以下。发动机导流装置前端由于此区域温度梯度大，导致热变形不匹配，产生过大热应力，最大应力为475MPa，出现在侧壁板弯边与端部导流环连接处，该材料在高温下的强度极限为527MPa，其静强度可以满足设计要求，计算值与强度极限比较接近，若考虑高温下的持久强度时，其强度极限可能会降低，该处结构可能会发生破坏损伤。

考虑气动载荷时，发动机导流装置计算结果见图3。由图3可知，发动机导流装置应力分布从整体上看是均匀合理的，结构没有出现局部应力集中，最大应力为192MPa，出现在侧壁板底部靠近导流环区，该材料在常温下的强度极限为569MPa，其静强度可以满足设计要求。

通过对图2和图3计算结果进行对比，发动机导流装置热应力计算结果远远大于气动载荷作用下的计算结果，表明热载荷是影响发动机导流装置应力大小的主要因素。

图2 发动机导流装置热应力计算云图

图3 发动机导流装置气动载荷计算云图

4 结束语

本文采用有限元分析软件，通过建立发动机导流装置有限元模型，调用热分析及结构分析模块，对发动机导流装置结构进行了温度场分布和热应力计算，得到以下主要结论：导流器温度场呈现高温边界到低温边界的梯度分布；对两种载荷工况下发动机导流装置应力进行计算，根据材料特性可知是满足静强度设计要求的，若考虑高温下的持久强度时，侧壁板弯边与端部导流环连接处结构可能会发生破坏损伤；比较两种工况下应力计算结果得出热载荷时影响发动机导流装置应力大小的主要因素。文章的计算结果可以为发动机导流装置的热防护以及优化设计提供可靠的依据，同时此计算分析方法为其他热环境下工作的结构强度校核提供了一定的工程参考价值。