航空发动机桨轴有限元应力分析

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1、2010年2月沈阳航空工业学院学报第27卷第l期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringFeb．2010V01．27No．1文章编号：1007—1385(2010)01—0008—04航空发动机桨轴有限元应力分析张强张永峰陈钊(中国飞行试验研究院发动机所，陕西西安710089)摘要：为了研究航空涡桨发动机桨轴在飞行试验中所受的载荷问题，对某型发动机桨轴进行几何建模，并运用有限元软件ANSYS对桨轴在离心力、拉力、扭矩和弯矩作用下的应力进行了仿真计算，得出了起飞状态下的应力分布，对桨轴贴应

2、变片部位的应力进行了分析。得出弯矩影响最大、扭矩次之、离心应力可以忽略的结论，为飞行试验提供了理论参考数据。关键词：涡桨发动机；桨轴；有限元；应力分析中图分类号：V232．2文献标识码：A涡桨发动机桨轴是将涡桨发动机的功率传递给飞机螺旋桨的关键部件，用以将发动机的扭矩传给螺旋桨，并将螺旋桨的拉力、惯性力和陀螺力矩、1P力和1P力矩通过轴承传给减速器机匣。工作时，桨轴承受对其强度和寿命有影响的主要载荷是扭矩、轴向力、弯矩，载荷受力情况复杂。为了研究飞行试验条件下桨轴的载荷情况，必须在桨轴上贴应变计以测量应力。为了与试验数据进行对比，本文利用大型有限元

3、分析软件ANSYS，对桨轴的受载情况进行了仿真计算，分析了桨轴贴应变计部位在离心力、轴向拉力、扭矩和弯矩作用下的应力，为桨轴的地面和飞行试验提供了重要的理论参考。1有限元应力分析原理HJ对有限元模型采用六面体八节点单元划分网格。每个节点具有三个位移分量，用向量表示为：[6]。=[[6。]16：]r．··[瓯]7]7(1)其中[最]=[ui‰Wir(i=1，2，⋯，8)对应的节点力向量为[R]。=[[R。]7[尺：]7⋯[R。]7]7(2)其中其中，[后]。为单元刚度矩阵，由虚功原理得：lⅢ。=，ffcs31D]吲IJld6dsdf(4)一I—l一1

4、根据弹性力学理论。三维问题的几何方程为{占}=占，占y占zy坷7弦y盥O0aaz0aa)，aa菇(5)简写成{占}=[B]{占}。(6)式中，[6]。=[u。移。W。⋯u。％‰]7表示单元的节点位移值，几何矩阵[B]为[B]=[曰。][曰：]．．·[B。](7)其中[R；]=[UiK职]7(i=1，2，⋯，8)节点力与节点位移的关系为[R]e：[矗]e[6]e(3){鼠}=收稿日期：2009—09—10作者简介：张强(1980一)，男，山东济南人，硕士。工程师，主要研究方向：航空发动机结构强度飞行试验研究，E—mail：zbohlll@yahoo．

5、BOIII．cno(i=1，2，⋯，8)(8)Oa一耖Oa一‘萼a一以Oa一缸O0a一砂0a～以oo以io以一耖∽I慧。巩一订。以石以io巩一缸oo巩一砂。以一缸第1期张强等：航空发动机桨轴有限元应力分析9式中M(考，露，f)称为形函数，表达式为艰(f，"11，f)=(1+ff孝)(1+，7i叩)(1+fff)／8(9)形函数在总体坐标系中的导数为乳r警JaN,谐aNicg"qaNi醒式中，[．，]称为雅可比行列矩阵，其表达式为[J]=a石a'，aza考a毛a专ax8yaza'7arla，7ax8yaz醒魄醒(10)(11)应力和应变的关系可简写成

6、{orl=[D]{占}(12)弹性矩阵[D]表示为㈨=瞄二】其中c。-，=[A三2移A三2秽A兰2。]·『口00][D2]=10移0IL00v．JA=丌耦秽2葡再万式中，E为材料的弹性模量，肛为波松比。在式(3)q，z21人边界条件，然后用全主元消去法求解得节点位移，最后由式(12)求得各单元的应力，对节点所在的各单元的应力进行平均，即可求得各节点的应力。2桨轴有限元仿真计算及结果分析2．1应变片粘贴部位选择为了测量飞行试验条件下的桨轴载荷，必须要在桨轴上贴应变片，i：1测量其应力。桨轴贴片位置定在桨轴法兰盘后端转接段R处，如图1所首先，根据有限元

7、计算，在桨轴法兰盘后端转接段R处的应力明显要大于桨轴其他部位。因此该部位对载荷变化比较敏感，易于贴片。其次，桨轴安装到发动机上后，前面是螺旋桨桨毂，后面是发动机短舱，只有桨轴法兰盘后端转接段暴露在外，因此，将应变片贴于桨轴法兰盘后端转接段R处，这样便于工程人员进行目视检查和手工操作。同时，查阅国外关于桨轴载荷测量的相关文献[4]，发现国外也是选择在此处粘贴应变片。因此根据以上分析，确定在桨轴法兰盘后端转接段R处粘贴应变片。即，有限元分析着重对该部位的应力进行分析。发动机短慧]

8、f_J图1桨轴贴片位置示意图2．2有限元计算及结果分析桨轴几何模型如图2

9、所示，施加位移约束和载荷的桨轴有限元模型见图3。对桨轴所施加的载荷有四种，分别是离心力、轴向拉力、扭矩和弯矩，计算时上述载