环向加肋薄壁机匣动力特性研究

环向加肋薄壁机匣动力特性研究

李传喜 1、李昕 2、范顺昌 2、邵中武 2

1 中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，哈尔滨市 150066

2 中国人民解放军93156部队，哈尔滨市 150066

摘要：薄壁机匣环向加肋可以有效抑制振动、提高结构强度。本文采用有限元方法计算典型环向加肋薄壁机匣结构固有频率和振型。结果表明，环向加肋薄壁机匣以梅花瓣形式振动为主，伴随着内外环的弯曲振动和支板的扭振；与无肋相比，环向加肋可以降低机匣的高阶固有频率，但低阶固有频率影响较小。随着肋板远离固定端，固有频率逐渐增大。

关键词：薄壁机匣；环向加肋；振动及强度

1引言

现代航空发动机为了提高推重比，机匣一般设计成薄壁圆筒结构。典型薄壁机匣在发动机工作过程中，由于受到多种复杂载荷的作用，会产生一系列振动及强度问题，使发动机的可靠性降低。因此，在发动机设计阶段机匣的振动和强度问题倍受关注。目前，环向加肋薄壁结构在航空航天、潜水设备等大型管道系统领域均有广泛的应用^[1]，其强度和振动特性是分析结构稳定性和动力特性必不可少的内容。

近年来，国内外学者针对航空发动机薄壁机匣模态试验、振动及强度问题进行了大量研究。孙杨、刘振德^[2]对某型涡喷发动机中介机匣进行振动特性分析，研究表明中介机匣在结构设计方面存在振动问题。蔡显新^[3]分析了某涡扇发动机薄壁机匣振动过大的现象，并研究了减小机匣振动的措施

同时，众多学者还针对典型的加肋圆柱壳体结构进行了研究。Jonger^[4]对分布均匀的环向加肋圆柱壳的自由振动进行了分析。孟宪举^[5]和石军^[6]分别对环向加肋圆柱壳结构的振动特性、强度及稳定性进行了分析，结果表明加肋圆柱壳体可以减小振动，提高稳定性。

本文的侧重点是改变加肋的位置，计算不同情况下机匣的固有频率，研究环向加肋对薄壁机匣振动特性的影响。最后，总结规律，为环向加肋薄壁机匣结构设计提供参考。

2有限元模态分析

2.1建立几何模型

利用Workbench软件建立简化风扇薄壁机匣模型。应用mesh模块，采用HexDominantMethod和EdgeSizing方法对结构进行网格划分，将支板与螺栓孔切割单独划分，网格节点数为15万。该模型材料选择45#钢。

2.2有限元模态分析

简化风扇薄壁机匣靠近支板端面为自由状态，远离支板端面与发动机压气机机匣通3个螺栓联接，假设机匣壁内外压差较小，忽略不计。分别计算无肋和加肋结构的前100阶固有频率。选择六、七、八阶计算值进行对比。

_{图1加肋与不加肋计算振型对比}

提取六、七、八阶振型图如图1所示，可以看出，薄壁机匣振动方式主要以内外环的弯曲振动和支板的扭振为主，机匣以梅花瓣形式为主，外环的弯曲振动和支板的扭曲振动尤为明显；加肋结构与不加肋结构相比，振动形式大致相同，但振型有明显变化，振动幅度减小；加肋可以使高阶结构的固有频率降低40%左右。

3肋位置对振动特性的影响分析

肋截面几何参数保持不变，计算加肋位置距固定端57mm，62mm、67mm、72mm、77mm、82mm、87mm、92mm，97mm的前100阶固有频率，提取前12阶如图

图2固有频率随加肋位置变化趋势图

从图2可以看出，随着加肋位置距固定端的距离增加，前四阶的振动频率变化趋于一条直线；超过六阶，固有频率呈现逐渐增大的趋势，特别是九阶和十阶，有重叠的部分。可见，环向加肋对低阶的固有频率几乎无影响，而对高阶固有频率影响较大。另外，从固有频率随加肋位置的变化趋势来看，薄壁机匣各阶频率逐渐增大，肋距固定端97mm时振动频率最大。为了清楚地观察频率变化规律，从中选择5阶、12阶频率变化趋势。

4结论

（1）环向加肋薄壁机匣以梅花瓣形式振动为主，伴随着内外环的弯曲振动和支板的扭振。改变肋位置，得出环向加肋结构振动特性的变化规律，为薄壁机匣结构设计提供参考。

（2）与无肋薄壁机匣相比，环向加肋可以使高阶结构的固有频率降低40%左右，起到减振作用；而对低阶固有频率几乎无影响。

（3）肋截面几何参数保持不变，随着肋位置距固定端的距离增加，固有频率逐渐增大。

致谢

本文中有限元模拟计算工作在辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室进行，感谢艾延廷教授对本文的帮助。

参考文献

[1]艾延廷,赵婷,田晶等.基于响应面法的薄壁机匣加筋肋优化设计[J].机械设计与制造,2017(1):79-82.[2]孙杨,刘振德,郑严.某涡喷发动机中介机匣振动模态分析[J].推进技术,2000,21(6):486-488.

[3]蔡显新,肖新红,王涛.风扇机匣的减振优化设计[J].航空动力学报,2010,25(2):396-401.

[4]Jonger M C.Dynamic behavior of reinforced cylindrical shells in a vacuum and in a fluid.J.Appl.Mech.,1954,3(3).

[5]孟宪举,张策,卿光辉.加筋圆柱壳结构振动特性分析[J].振动工程学报,2005,3(1):36-39.

[6]石军,易学平.加肋圆柱壳体的强度和稳定性计算方法[J].机械工程与自动化,2012,2(1):174-178.