【摘 要】本文介绍某发动机压气机减重设计中对材料更改的力学特性分析，利用UG和ANSYS软件对压气机减重所设计的强度问题进行系统的强度分析设计。

【关键词】压气机；减重设计；有限元分析；振动特性；强度；刚度

0 前言

某型号发动机压气机是基于20世纪50年代的材料、冶金、铸造、生产、和工艺技术设计的，在材料和加工工艺方面大大落后于当代水平，该发动机在同类发动机中技术已显落后，具有很大的提升空间，尤其突出的是，与相同推力发动机的重量相比，重量超出数百斤，不但大量消耗了燃油，而且降低了有效载荷。目前，新材料、先进的加工设备和加工工艺为减重提供了坚实的物质基础，对压气机进行减重研究，而强度设计是保证减重成功的重要设计分析手段之一。

该压气机是单转子十级轴流式亚音压气机，由转子和静子两部分组成。在之前压气机所使用的材料是密度比较大的结构钢，使得压气机的重量较大，为了减轻压气机的重量，采用密度比较小的钛合金来代替结构钢。这需要对减重前后的压气机的强度、刚度和振动特性是否符合要求，进行了论证分析工作，分别对压气机的整体盘和叶片在结构钢和钛合金两种材料下进行了对比强度分析，来确保该压气机的减重强度满足可靠性要求，为今后同类产品的减重设计积累了重要经验。

1 减重强度设计的技术指标

减重设计的强度分析，是保证优化设计得以顺利进行的重要指标之一。要保证更改材料使部件在满足减重要求的同时，其性能指标以及其他参数指标有所提高。

振动特性要求 新材料的叶片固有振动频率要大于原材料的固有振动频率，且在工作区域内主要倍频和分频不会影响发动机的振动特性。满足材料更改满足振动特性要求，使其在工作状态及过渡状态避免共振情况的发生。

强度要求 更改后的新材料叶片和轮盘的强度刚度特性要优于原材料，且要低于新材料的屈服极限，留有足够的裕度。

刚度要求 更改后的新材料叶片和轮盘的最大径向位移要小于原材料最大径向位移，使其满足刚度设计要求以及配合间隙的要求，避免工作状态发生刮磨事故的发生。

2 相关理论

在分析过程中应用了ANSYS软件的最新分析方法。在软件的使用过程中，紧跟软件的最新版本，充分发挥了有限元软件的功能，并且发掘出了软件的许多新功能。采用间接耦合分析，间接耦合分析是指特定的顺序求解单个物理场的模型。前一个分析的结果作为后续分析的边界条件施加，有时也称之为序贯耦合分析[1]。进行过盈配合分析，在接触问题中很难分析高度非线性特征，需要较大的计算资源，为了进行有效的计算，采取合理的方式进行等效应力的方式进行等效预紧力。

3 计算参数的选取

材料数据性能比较分析

经过对材料性能以及以往发动机材料的经验，并根据相关航空材料数据手册[2-3]，对压气机盘由不锈钢1Cr11Ni2W2MoV改为钛合金TC11。

4 计算内容及结果分析

4.1 叶片的振动分析

在所有的发动机在研制和使用过程中，几乎都发生过叶片的振动问题，据有关资料表明，叶片振动故障大约占发动机结构故障的三分之一，诸如裂纹、折断等叶片故障事故，绝大部分是因叶片振动引起的[4]。因此在压气机减重设计中，必须进行叶片的振动分析。

进行工作叶片模态分析，避免发生共振的情况，经过计算分析，各阶振动频率均高于工作频率。且倍频和分频内不影响发动机振动特性曲线，满足工作频率的要求。

4.2 叶片的振型分析比较

叶片弯曲振动是叶片绕惯性轴产生的弯曲的振动，在叶片生出现一条横节线振型的振动为一阶弯曲振动，对应的频率为一阶弯曲振动频率，出现两条横节线振型的振动为二阶弯曲振动，对应的频率为二阶弯曲振动频率，其余类推。一阶弯曲振动也称为基本阶振动，其特点是节线靠近叶片根部，它是发动机中常见的叶片振动现象，要给予足够的重视[4]。

叶片扭转振动是叶片绕截面扭心线扭转，出现有纵向节线的振动。在叶片上出现一条纵向节线和一条靠近叶根的横向节线的振动称为一阶扭转振动，对应的频率为一阶扭转振动频率，一阶扭转振动也常出现在叶片中，故也危险。

复合振动通常为弯曲振动与扭转振动的合成振动。复合振动较为复杂，振动频率较高，常出现不规则振型，往往还伴随着较高的局部应力，因为在实际工程中，发动机的实际叶片一般都是扭转形状的变截面叶片，发动机叶片出现高频复合振动也应引起重视。

4.3 工作叶片强度刚度分析

要进行强度刚度分析，分析出工作叶片应力分布和径向位移大小。工作叶片是压气机中极为重要的零件，其设计的好坏直接关系到发动机性能的优劣和使用安全，在实际使用中，由于叶片的破坏而造成的发动机失效的例子屡见不鲜，因此在压气机改进减重设计中必须进行强度刚度分析。进行叶片强度分析，分析出最大应力及其位置；同时进行刚度分析，并分析出其径向位移，防止工作叶片与压气机机匣发生挂磨。

进行比较分析，两种材料的其最大应力位置与最大径向位移位置相近。

4.4 叶片离心力及轮盘预紧应力分析

通过支反力的求法，利用ANSYS软件，求出叶片离心力；利用等效应力效果，求出轮盘预紧应力。

4.5 轮盘应力和径向位移分析

将叶片的离心载荷以及轮盘之间的预紧应力载荷以及轮盘自身的离心载荷全部施加在轮盘上，进行轮盘的强度刚度分析。为避免发生刮磨。对篦齿处最大径向位移进行分析。

预紧应力的施加采取等效的方法，即先施加一定的压力使其产生特定的位移，然后将其压力与其他载荷同时耦合作用在轮盘上。

榫槽处为关键部位，当应力超过材料的屈服极限时，需要单独进行强度分析。榫槽部分进行等分切割，计算采用20节点Solid 95单元，该单元为SOLID45（3维8节点）的高阶单元形式，能够容许不规则形状，并且不会降低精确性，特别适合边界为曲线的模型，同时，其偏移形状的兼容性好，在空间的方位任意，本单元具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变的能力。

4.6 综合性能指标

通过以上的振动分析以及强度刚度分析，以及材料特性的比较分析， TC11的各项性能均由于1Cr11Ni2W2MoV。主要技术参数比较见表1。

5 结论与意义

通过ANSYS软件对该压气机减重的强度设计分析，确定叶片和轮盘的高应力区域和最大应力点位置，进行局部优化设计，并确定振动特性和径向位移特性。为压气机减重提供了理论依据，减少了高昂的费用，缩短了分析周期，提高优化设计分析能力，节省大量的试验费用。同时为今后同类产品的优化设计积累了重要经验。

【参考文献】

[1]航空发动机设计手册：叶片轮盘和主轴强度分析[M].航空工业出版社，2001.

[2]中国航空材料 结构钢 不锈钢（第1卷）[M].中国标准出版社，1988.

[3]中国航空材料 钛合金 铜合金（第4卷）[M].中国标准出版社，1988.

[4]航空发动机设计手册：压气机[M].航空工业出版社，2001.

[责任编辑：薛俊歌]