周偉朋，劉仕運(yùn)

(中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所 航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)一部，沈陽 110015)

機(jī)械工程

基于接觸分析方法的機(jī)匣安裝邊密封性研究

周偉朋，劉仕運(yùn)

(中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所 航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)一部，沈陽 110015)

針對某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)外涵機(jī)匣開環(huán)形槽結(jié)構(gòu)的安裝邊，建立了包括安裝邊和連接螺栓的有限元計(jì)算模型。采用有限元接觸分析方法對安裝邊結(jié)合面的接觸應(yīng)力和接觸間隙進(jìn)行了計(jì)算，分析了安裝邊螺栓孔距、安裝邊厚度和開槽深度對安裝邊密封性的影響。結(jié)果表明，安裝邊開環(huán)形槽結(jié)構(gòu)有利于密封，適當(dāng)增加安裝邊螺栓數(shù)和安裝邊厚度可改善其密封性。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；機(jī)匣安裝邊；密封性；接觸分析

安裝邊接觸面的接觸應(yīng)力及變形，是影響安裝邊的密封性的主要因素。文獻(xiàn)[1][2]利用實(shí)驗(yàn)和理論解析相結(jié)合的方法對機(jī)匣安裝邊結(jié)構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)行了分析，重點(diǎn)研究了安裝邊與機(jī)匣殼體轉(zhuǎn)接圓處的應(yīng)力集中問題。受解析計(jì)算的局限性，機(jī)匣安裝邊接觸問題沒有得到展開討論。

隨著接觸問題研究的發(fā)展以及有限元分析技術(shù)的提高,國內(nèi)外學(xué)者對法蘭連接的接觸分析及墊片接觸應(yīng)力的數(shù)值計(jì)算開展了大量研究，研究成果為具有密封墊片的法蘭連接設(shè)計(jì)提供了重要指導(dǎo)作用[3-13]。而對于金屬面直接接觸的機(jī)匣安裝邊密封性研究卻鮮見報(bào)道。

本文采用有限元計(jì)算方法分析了某型發(fā)動(dòng)機(jī)外涵機(jī)匣安裝邊的密封性問題，對影響安裝邊密封的接觸應(yīng)力和脫開間隙進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)還研究了螺栓孔距、安裝邊厚度和開槽深度對安裝邊密封性的影響。

1 計(jì)算模型

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)外涵機(jī)匣為分段式，包括前段外涵機(jī)匣和后段外涵機(jī)匣，兩段機(jī)匣通過橫向安裝邊連接。其中，前段機(jī)匣安裝邊結(jié)合面設(shè)計(jì)為環(huán)形槽結(jié)構(gòu)。忽略機(jī)匣上孔槽、焊縫等結(jié)構(gòu)，以及安裝邊上安裝支架，建立機(jī)匣安裝邊幾何模型(如圖1)。為分析開槽結(jié)構(gòu)對安裝邊密封性的作用，以圖1 的開槽機(jī)匣安裝邊為原型，同時(shí)建立了安裝邊結(jié)合面為平面的模型。

圖1 機(jī)匣安裝邊幾何模型

采用三維有限元模型模擬機(jī)匣安裝螺栓連接，考慮安裝邊螺栓沿環(huán)向均勻分布，取安裝邊循環(huán)對稱的一部分進(jìn)行建模。本文使用有限元軟件Ansys進(jìn)行計(jì)算[14]，對安裝邊和螺栓采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，有限元模型見圖2。

圖2 機(jī)匣安裝邊網(wǎng)格劃分

計(jì)算載荷主要包括螺栓擰緊力矩、氣體壓差載荷，機(jī)匣軸向力[15]。機(jī)匣前段施加軸向約束，安裝邊模型側(cè)向施加對稱約束，安裝邊對接面和止口部分施加接觸邊界條件(如圖3所示)。

圖3 計(jì)算載荷和邊界條件

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 接觸應(yīng)力

為了實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興，真正貫徹和落實(shí)執(zhí)政為民的思想，縣級黨政機(jī)關(guān)需要認(rèn)識(shí)到環(huán)境執(zhí)法監(jiān)測工作的必要性，針對當(dāng)前主要問題提出對策，以期為建設(shè)碧水青山作出貢獻(xiàn)。

圖4為施加全部外載條件下，槽形結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)安裝邊結(jié)合面接觸應(yīng)力分布情況。從圖中可以看出，槽形結(jié)構(gòu)安裝邊接觸應(yīng)力分布在槽的內(nèi)邊和外邊，在遠(yuǎn)離螺栓孔區(qū)域的接觸應(yīng)力減小。平面結(jié)構(gòu)安裝邊結(jié)合面接觸應(yīng)力僅集中在螺栓孔附近區(qū)域，其它區(qū)域接觸應(yīng)力基本為0 MPa。

2.2 接觸間隙

圖5中給出槽形結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)安裝邊結(jié)合

圖4 安裝邊結(jié)合面接觸應(yīng)力

面間隙分布，總體上兩種結(jié)構(gòu)安裝邊結(jié)合面上的間隙沿徑向自內(nèi)向外逐漸減小，呈現(xiàn)“張嘴”形式。平面結(jié)構(gòu)安裝邊結(jié)合面僅在螺栓孔周圍區(qū)域緊密結(jié)合，其它區(qū)域均存在間隙，尤其兩螺栓孔中間區(qū)域間隙最大，是密封的薄弱區(qū)域。與平面結(jié)構(gòu)安裝邊相比，槽形結(jié)構(gòu)安裝邊沿槽內(nèi)、外邊的間隙較小，尤其槽外邊間隙基體為0 mm。

圖5 安裝邊結(jié)合面間隙

在同樣載荷條件下，開槽結(jié)構(gòu)安裝邊槽的內(nèi)、外邊與平面結(jié)構(gòu)安裝邊對應(yīng)位置的間隙對比見圖6，環(huán)形槽結(jié)構(gòu)安裝邊的開槽外邊處間隙基本為0，內(nèi)邊處接觸為0的區(qū)域比平面結(jié)構(gòu)安裝邊相應(yīng)位置略長，但在遠(yuǎn)離螺栓位置間隙較大。平面結(jié)構(gòu)安裝邊在內(nèi)、外邊處間隙為0的區(qū)域小，且大間隙的區(qū)域較寬。

圖6 開槽內(nèi)外邊間隙對比

圖7為兩螺栓孔中間位置的間隙沿徑向分布情況，在相同載荷條件下開槽結(jié)構(gòu)安裝邊槽內(nèi)側(cè)“張嘴”要比平面結(jié)構(gòu)的大，但在環(huán)形槽的兩側(cè)邊的間隙較小。

圖7 兩螺栓孔中間位置的間隙沿徑向分布

結(jié)果可以看出，由于機(jī)匣安裝邊較薄，平面結(jié)構(gòu)的安裝邊剛度低，在螺栓預(yù)緊力的擠壓作用下，出現(xiàn)翹曲變形，兩螺栓中間區(qū)域翹起產(chǎn)生間隙，同時(shí)在內(nèi)壓作用下出現(xiàn)彎曲，安裝邊內(nèi)側(cè)出現(xiàn)“張嘴”，因此安裝邊的密封性較差。

在安裝邊中間開環(huán)形槽后，雖然進(jìn)一步降低了安裝邊的剛度，加大了內(nèi)側(cè)“張嘴”，但利用施加螺栓預(yù)緊下的彈性變形，提高槽的兩側(cè)邊的接觸應(yīng)力，降低開槽兩邊的間隙，尤其槽外側(cè)整圈基本是接觸的，相對于平面結(jié)構(gòu)安裝邊可以提其高密封性。

3 安裝邊參數(shù)變化對密封性影響

3.1 螺栓孔距

圖8和圖9為螺栓間距不同，其它結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作載荷相同條件下，安裝邊的開槽內(nèi)、外邊位置的間隙計(jì)算結(jié)果。

圖8 不同螺栓間距開槽內(nèi)邊間隙計(jì)算結(jié)果

從開槽內(nèi)、外邊間隙計(jì)算結(jié)果看，隨安裝邊螺栓間距降低(螺栓增加)，開槽內(nèi)邊存在間隙的區(qū)域減小，間隙最大值也相應(yīng)降低。與之相反，開槽外邊存在間隙的區(qū)域增大，間隙最大值變大。

圖9 不同螺栓間距開槽外邊間隙計(jì)算結(jié)果

兩螺栓孔中間間隙計(jì)算結(jié)果表明，適當(dāng)降低螺栓孔距(即螺栓數(shù)增加)可以改善開槽內(nèi)邊的接觸情況，提高密封性。綜合來看，開槽結(jié)構(gòu)的安裝邊螺栓孔距在30～40 mm中較為合適。

3.2 安裝邊厚度

圖10和圖11為兩安裝邊厚度分別為2.6 mm、3.1 mm、3.6 mm和4.1 mm狀態(tài)下的環(huán)形槽內(nèi)、外邊位置間隙計(jì)算結(jié)果。

圖10 不同安裝邊厚度開槽內(nèi)邊間隙計(jì)算結(jié)果

圖11 不同安裝邊厚度開槽外邊間隙計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，安裝邊增加厚度后，剛性得到提高，槽內(nèi)邊間隙和兩螺栓中間位置間隙均明顯減小。此外，厚度為4.1 mm的安裝邊開槽外邊間隙最大值相比于其它厚度的安裝邊雖有所增加，但接觸區(qū)域相比于薄安裝邊是增大的。開槽結(jié)構(gòu)的安裝邊厚度建議可在3～4 mm中適當(dāng)選擇。

3.3 開槽深度

在安裝邊厚3.6 mm條件下，選擇槽深為0.2 mm、0.3 mm和0.4 mm三種狀態(tài)，分析不同槽深安裝邊接觸面間隙分布。圖12和圖13為不同槽深的安裝邊槽內(nèi)、外邊位置間隙計(jì)算結(jié)果。

從計(jì)算結(jié)果看出，三種開槽深度的安裝邊的槽內(nèi)、外邊間隙和兩螺栓中間位置間隙基本相同，因此，開槽深度一般建議選擇0.2 mm。

圖12 不同槽深開槽內(nèi)邊間隙計(jì)算結(jié)果

圖13 不同槽深開槽外邊間隙計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

通過開槽結(jié)構(gòu)安裝邊和平面結(jié)構(gòu)安裝邊的接觸應(yīng)力和接觸間隙計(jì)算，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)安裝邊的密封性分析，可以得到以下認(rèn)識(shí)：

(1)安裝邊結(jié)合面開槽有利于提高安裝邊密封性。

(2)對于開槽結(jié)構(gòu)安裝邊，適當(dāng)降低螺栓孔距(即螺栓數(shù)增加)可以改善開槽內(nèi)邊的接觸情況，提高其密封性。

(3)安裝邊適當(dāng)增加厚度，使安裝邊的剛性加強(qiáng)，可以減少安裝邊翹曲變形和彎曲變形，進(jìn)而降低安裝邊結(jié)合面的間隙，有利于提高安裝邊密封性。

(4)開槽深度對的槽內(nèi)邊間隙和中間間隙基本沒有影響。

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：劉紅江)

Researchonthesealperformanceofaero-enginecaseflangebasedonthecontactanalysis

ZHOU Wei-peng，LIU Shi-yun

(Aero-engine Design 1st.Dept,Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China)

A finite element model including the flange and bolt is built to study the characteristics of flange,a part of the bypass duct case in an aero-engine,with groove on the surface.The contact stress and clearance are calculated based on the contact analysis.The effects on the flange of the distance of the bolt hole,the thickness of the flange and the depth of the groove are studied.The results show that the sealing performance can be improved by introducing annular groove on the surface or increasing the bolt numbers or increasing the thickness of the flange.

aero-engine;case flange;sealing performance;contact analysis

2014-06-16

周偉朋(1982-)，男，山東平度人，工程師，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)，E-mail:zwp_houei@163.com。

2095-1248(2014)04-0065-05

V232

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.04.013