航空发动机机匣法兰连接螺栓受力分析

2023-02-27章胜伍海辉张如刚艾兴

机械工程师 2023年2期

关键词：过盈量机匣法兰

章胜，伍海辉，张如刚，艾兴

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002）

0 引言

机匣法兰螺栓连接结构广泛应用于航空发动机机匣连接设计，其强度设计关系到整个结构的安全。对螺栓连接进行精准的受力分析，获得螺栓准确的载荷，螺栓连接设计有着很大的意义。

基于传统经验公式校核螺栓强度[1-2]的方法假定螺栓孔中心圆至安装边外缘的压力按三角形分布，未考虑止口连接对螺栓传载的非线性影响等，最终将螺栓受力分析简化为一个螺栓应力与外载荷呈线性分布的模型，对螺栓强度的评估存在一定的误差。

随着三维仿真技术的发展，学者们陆续开展螺栓连接结构的刚度、应力等研究[3-7]。文献[8]开展了螺栓连接建模方法研究，表明实体连接模型具有较广的适用性，文献[9]～[12]分别采用了ANSYS和ABAQUS对螺栓连接开展了仿真研究，给出了发动机机匣刚度与螺栓预紧力呈非线性关系等结论，验证了螺栓连接的非线性特征。

本文讨论了基于传统经验公式校核螺栓强度方法的不足之处，对比了经验公式计算结果与有限元非线性计算结果，评估了经验公式适用范围，同时研究了机匣法兰止口设计对螺栓载荷的影响，为机匣法兰螺栓连接设计提供依据。

1 传统经验公式方法简介

根据文献[1],同时承受轴向载荷和横向载荷作用的预紧螺栓，螺栓应力既有轴向拉力所产生的拉应力，又有横向载荷所产生的剪应力，还有拧紧时的扭转剪应力，当量应力计算方法如下：

2 载荷放大系数分析

螺栓连接问题是一个复杂的接触问题，图1所描述的安装边附加载荷计算方法不能有效模拟真实受载情况，本文对两种连接方式的载荷放大系数进行有限元模拟：一种为直线型连接，即螺栓呈直线型排列的连接方式；另一种为圆周型连接，即螺栓呈圆周型排列的连接方式。分别建立直线型连接和圆周型连接三维实体模型，并控制截面尺寸和螺栓间距一致，如图2所示。

图1 法兰附加载荷示意图（子午面）

图2 连接方式示意图

采用图3所示计算模型对不同预紧载荷下的载荷放大系数进行有限元分析，计算结果如表1所示，变化趋势如图4所示，并定义K0为预紧力与外载轴向力的比值。由计算结果可知，载荷放大系数随预紧力的增大而减小，其与连接结构有关，圆周型连接方式载荷放大系数要小于直线型连接方式，对不同半径的机匣进行分析，亦可证明机匣半径越大，载荷放大系数越大。

表1 预紧力对载荷放大系数的影响

图3 圆周型计算模型（循环对称段）

图4 载荷放大系数分析结果

3 止口影响分析

3.1 止口对轴向载荷的影响

航空发动机机匣法兰一般都采用止口设计（典型止口设计如图5），止口设计可以有效减小由于温度等因素造成的法兰相对径向变形，从而减小螺栓所承受的剪切载荷。轴向外载分析过程中，传统经验公式方法未考虑止口过盈量对螺栓载荷的影响。实际分析中，止口过盈量对螺栓受力也存在非线性的影响，不同止口过盈量对螺栓受力的影响如表2所示，变化趋势如图6所示。

图5 典型止口设计示意图

图6 止口过盈量对螺栓轴向载荷增量影响

表2 止口过盈量对螺栓轴向载荷增量影响

典型算例中，相同预紧载荷下，0.1 mm 止口过盈可以使轴向外载所引起的轴向载荷增量减小30%以上。

3.2 止口对弯矩载荷的影响

航空发动机机匣在过载等条件下会受到较大的弯矩。弯矩载荷对螺栓受载仍通过轴向力的形式体现，传统经验公式方法[1]中，弯矩引起的螺栓轴向力计算方法为

式中：PM为弯矩引起的轴向力载荷；MYZ为合弯矩；r为螺栓孔所在半径；Z为螺栓个数。

图7 止口过盈量对螺栓弯曲载荷增量影响

表3 止口过盈量对螺栓弯曲载荷增量影响

典型算例中，相同预紧载荷下，0.1 mm止口过盈可以使弯曲外载所引起的轴向载荷增量减小约20%。

4 工程应用实例

某涡轴发动机机匣连接螺栓除承受预紧载荷外，还需传递机匣安装面轴向拉力Fx、横向剪切力Fy和Fz、转矩载荷Mx、弯矩载荷My和Mz。其静力试验方案如图8所示，F5和F6用于模拟转矩载荷Mx和横向剪切力Fy，F7用于模拟横向剪切力Fz。由于加载中心与机匣安装面存在轴向距离的差异，用于模拟Fy和Fz的载荷将产生附加弯矩Mz附加和My附加。令F1+F3=Fx/2，并调整F1和F2大小使其形成的附加弯矩用于模拟My及抵消My附加，令F2+F4=Fx/2，并调整F1和F2大小使其形成的附加弯矩用于模拟Mz及抵消Mz附加。至此，螺栓承受的所有载荷皆完成模拟。

图8 连接螺栓静力试验方案

采用传统经验公式方法对螺栓承载能力进行分析，结果表明，在承担100%预紧载荷情况下，还可承受最大外载的60%，螺栓应力达到材料的极限强度值，即螺栓将发生断裂。试验过程中，试验通过了最大外载的80%并保持30 s，当试验载荷达到最大外载的90%时，试验螺栓发生断裂，断裂螺栓展示如图9所示。通过有限元分析得到螺栓受力情况与试验结果基本一致。工程应用实例表明，对于小半径机匣，传统经验公式方法计算偏保守。