基于整体_局部技术的鼠笼式弹性支承疲劳强度分析

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航空发动机2007年第33卷第3期

基于整体-局部技术的鼠笼式弹性支承

疲劳强度分析

冯国全

1, 2

周柏卓 王 娟

11

(1. 沈阳发动机设计研究所, 辽宁沈阳 110015; 2. 大连理工大学, 辽宁大连 116024)

摘要:基于M sc . Pa tran /Nastran 有限元分析软件, 使用从整体到局部的有限元分析方法, 对某型航空发动机减振用鼠笼弹性支承进行了疲劳强度分析。该分析方法克服了传统方法中对有限元模型的规模与精度难以兼顾的缺点, 为分析工程中复杂构件的强度提供了1条新的思路。

关键词:航空发动机 鼠笼式弹性支承 疲劳强度 整体-局部算法 有限元

Fati gue Strength Anal ysis of Squirrel Cage E l astic Support Based on

G lobal -Local Technology

Feng Guoquan , Zhou Ba izhuo , W ang Juan

1. 2

1

1

(1. Shenyang Aeroeng i n e Research I nstitute , Shenyang 110015, L iaon i n g , Ch i n a)

(2. Dalian University o fTechno logy , D alian 116024, L i a on i n g , Ch i n a)

Ab stract :Based on M SC . P atran /Nastran fi n ite e le m ent analysis soft ware , t he fatigue streng th ana lysis o f the squirrel cag e elastic suppo rt i n aeroeng i ne is conducted by the g loba l-l oca l fi n ite ana l y si s me t hod . T he m ethod comprom i ses di m ens i on and precision o f t he fi n ite e le m ent model that are diffi cult to ach i eve using traditiona lme t hod , and prov i des a new though t for t he strength ana l ys i s of co m plex co m ponents i n eng i neer i ng desi gn .

K ey word s :ae roeng i ne ; squ i rre l cage e lastic support ; fati gue streng th ; g l oba l-l oca l algor it h m; fi n ite e l em ent

1 引言

随着现代航空发动机向着高推重比、大载荷、高转速、高温、高压、高可靠性方向发展, 发动机零部件的应力水平明显提高。因此, 在发动机结构强度设计中, 进行快速、详细、有效的发动机零部件应力分

析至关重要。由于难以同时满足详细的有限元应力分析的分析规模与分析时间和计算机软硬件的结构设计对时间进度的要求, 因此, 寻求一种能够同时满足时间进度要求和结构细节分析, 又能兼顾有限元分析模型规模和细节应力分析精度的有效分析方法, 为强度设计所亟需, 对提高发动机结构强度设计水平具有非常重要的作用。

收稿日期:2006-10-12

第一作者简介:冯国全(1967 ), 高级工程师, 1991年本科毕

业于北京大学, 1999年毕业于北京航空航天大学, 获硕士学位, 大连理工大学在读博士研究生, 从事航空发动机整机振动设计

本文基于M sc . Patran /Nastran 有限元分析软件, 应用从整体到局部的有限元分析方法, 对某型航空发动机减振用鼠笼弹性支承进行了疲劳强度分析。

2 基于M sc . Patran /Nastran的从整体到局部分析方法

M sc . Patran /Nastran提供了从整体到局部结构应力分析技术, 用户接口简单明了, 非常方便。具体分析过程可分为以下几个步骤:

(1) 建立整体模型的较为粗略的有限元分析模型;

(2) 进行整体模型的有限元分析;

(3) 进行分析结果的后处理, 获得整体模型下的位移场;

(4) 建立1个包含整体位移矢量场的有限元场(Fie l d );

;

冯国全等:基于整体-局部技术的鼠笼式弹性支承疲劳强度分析

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(6) 引入前面建立的位移有限元场(Field) 作为局部模型分析的边界条件;

(7) 进行局部模型的有限元分析, 获得局部模型较为详细的应力场。

3 从整体到局部的鼠笼式弹性支承疲劳强度分析

某型航空发动机转子-支承系统典型的弹性支承如图1

所示。

图2 弹性支承的整体有限元模型(50%)

图1 弹性支承结构

图3 整体有限元模型中的局部细节

在金属套筒上铣出若干道长的槽形笼条, 其中起弹性作用的主要是中间刚性较低的笼条。通过改变笼条的长度、宽度、壁厚和笼条数来调整柔度, 从而实现调整临界转速和降低整机振动水平的目的。鼠笼式弹性支承广泛应用于航空发动机减振设计中。

在使用过程中, 弹性支承承受的载荷主要是转子振动引起的振动载荷和机动飞行时过载引起的偏心静载荷。由于通过机械加工的鼠笼式弹性支承笼条根部圆角小, 因此会产生较大的应力集中, 容易出现疲劳裂纹, 甚至笼条断裂。最典型的故障模式是疲劳破坏(高周疲劳或高低周复合疲劳) 。出现弹性支承断裂故障是十分危险的, 可能造成灾难性事故。因此, 要求弹性支承具有最佳的疲劳强度储备, 并对此进行详细的应力分析。

首先, 建立鼠笼式弹性支承的整体有限元模型, 如图2所示。根据经验, 笼条根部圆角部位易产生应力集中, 需进行详细的应力分析。由于受到计算机条件的限制, 即使考虑了对称性, 在整体模型中也无法模拟得很细致, 笼条宽度和厚度方向只能分4层6面体单元, 如图3所示。通过整体模型下的有限元分析, 获得的位移场和应力场, 如图4, 5所示。虽然较为粗略的整体模型的应力场精度有限, 但仍可用于确定考核部位, 进而确定较为细致的局部模型的范围。

其次, 根据整体分析获得的考核点, 重新建立细

致的局部模型, 如图6所示。该模型笼条宽度和厚度方向都分16层6面体单元。

通过整体模型下的有限元分析获得的位移场和通过局部模型的应力分析获得的应力场, 如图7, 8所示。

图5 整体有限元模型中的应力场图4 整体有限元模型中的位移场

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这是由于预计疲劳应力时没有考虑笼条根部的圆角, 采用整体模型时, 对考核部位的模型简化过于粗糙, 所以难以达到需要的分析精度。而包含考核部位的局部模型可以很细致地模拟考核部位, 并使用从整体分析中得到的位移场作为局部分析模型的位移边界条件, 从而得到了细致的位移分布和应力分布, 获得了满意的结果。

图6 局部有限元模型

4 注意事项

使用基于M sc . Patran /Nastran的从整体到局部的有限元分析技术, 有几个环节需要特别注意, 否则会引起分析无法进行。

(1) 建立整体模型的位移场时, 需首先显示位移矢量场, 然后再建立位移的有限元场。

(2) 在原几何体基础上重建局部的详细模型时, 必须保证局部模型与整体模型位置完全一致, 不得有偏差。

图7

整体模型考核点的应力

(3) 重建局部的详细模型时, 首先使有限元模型与几何体分离, 然后重建详细的局部分析模型。

5 结论

(1) 从整体到局部的有限元分析技术在航空发动机鼠笼式弹性支承结构疲劳强度设计中应用广泛, 其有效性和实用性得到了工程设计实践的验证, 具有较大的推广价值。

图8 局部模型考核点的应力

(2) 使用从整体到局部的有限元分析技术, 可以有效地克服复杂结构应力分析遇到的有限元分析模型与分析精度难以兼顾的困难, 为工程设计中复杂构件的强度分析提供了1条新的思路。

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弹性支承预计的疲劳应力为126M Pa , 整体模型和局部模型的最大应力分别为137MPa 和149M Pa 。(上接第49页)

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