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壓氣機作為發(fā)動機的增壓部件，其增壓比的提高可有效提升發(fā)動機的功率，為適應(yīng)某型飛機動力提升的需要，開展某型航空發(fā)動機離心壓氣機的改進設(shè)計研究。高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機部件，其結(jié)構(gòu)強度的滿足是發(fā)動機可靠工作的前提。本文對改型壓氣機的輪盤進行結(jié)構(gòu)強度有限元分析和優(yōu)化，為該型壓氣機的改進設(shè)計提供了重要依據(jù)。
應(yīng)力計算需提取單獨Von-mise應(yīng)力，其選取設(shè)計準則為：輻板當(dāng)量應(yīng)力不大于許用屈服應(yīng)力，即σeq，w≤［σ0.2］。根據(jù)盤心和盤身的工作環(huán)境溫度，選取相應(yīng)的許用屈服極限，取盤心許用屈服應(yīng)力為795MPa，盤身許用屈服應(yīng)力為595MPa。不考慮葉片的影響，基于輪盤的軸對稱特性，采用PLANE183八節(jié)點平面單元，單元選項設(shè)置為軸對稱。自由劃分網(wǎng)格，有限元邊界條件為葉盤一端約束軸向位移，并施加繞軸向的離心載荷，有限元模型如圖1所示。
利用ANSYS計算得到輪盤應(yīng)力分布如圖2所示，應(yīng)力集中區(qū)局部應(yīng)力如圖3所示，盤心處應(yīng)力如圖4所示。
由以上的計算結(jié)果可知，在凹槽1和尖銳2拐角處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，并且應(yīng)力很大，都超過了1400MPa，同時兩處應(yīng)力集中點均處在高溫區(qū)，強度條件不能滿足。同時，盤心應(yīng)力在不考慮葉片的前提下最大應(yīng)力達到了660MPa，安全裕度在考慮葉片之后也會很小。因此輪盤初始設(shè)計不能滿足強度要求，需要進行結(jié)構(gòu)的改進和優(yōu)化。
單元，設(shè)置為軸對稱，采用自由劃分網(wǎng)格，有限元邊界條件為輪盤一端約束軸向位移。利用ANSYS進行有限元計算，得到其Von-mise應(yīng)力分布如圖6所示。由圖6可以看出，盤心處最大應(yīng)力為643MPa，盤身處最大應(yīng)力為586MPa，輪盤應(yīng)力都已滿足靜強度要求，均小于相應(yīng)溫度下的許用屈服應(yīng)力。
考慮葉片的影響，建立改型葉盤的有限元模型，采用Solid185單元。邊界條件為葉盤一端約束軸向位移，葉盤內(nèi)孔約束周向位移。利用ANSYS，計算得到的葉盤各坐標方向（徑向、周向、軸向）位移、合成位移（各最大位移及其位置如表1所示）和葉盤合Von-mise應(yīng)力分布。
本文在建立了某型發(fā)動機改型壓氣機模型的基礎(chǔ)上，對其輪盤進行了初始結(jié)構(gòu)強度分析得知，在凹槽1和尖銳2拐角處的強度條件不能滿足，因此需要進行結(jié)構(gòu)的改進和優(yōu)化。優(yōu)化后的輪盤，經(jīng)單獨強度校核和考慮葉片影響的葉盤變形及應(yīng)力分析，其結(jié)果表明盤心和盤身的應(yīng)力均滿足靜強度要求，從而為某型發(fā)動機的壓氣機的改進提供了重要參考。
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