航空发动机热应力求解及结果分析

• 发布日期：2012-07-03 09:32

•       利用温度初始条件首先对结构进行热分析计算，通过对于结构的热分析得到的温度分布状态将作为后续分析的初始条件，首先采用提取空间温度场的方法得到结构空间-温度载荷文件，在之后的热-结构耦合分析中，调用该文件作为温度载荷施加于结构之上，这样就完成了温度载荷在结构上的施加。求解得到常温状态和温度场作用下结构前十阶固有模态。结构在温度场的作用下固有频率同常温状态下的计算结果相比较要低一些，结构模态的对比。由于导向器结构为循环对称结构，其应力分布呈现轴对称特性，为提高计算效率，本文在求解导向器结构应力分布时采用了1/72导向器模型。

        计算结果表明，结构所受径向应力大部分为拉应力，外环机局部有压应力，切向应力在内环部分是压应力，而在导向器外环、叶片、内支撑环等区域是拉应力。整个导向器结构的热应力分布特点是叶片与内环、外环连接区域应力水平较高，其他区域受到的热应力较小。

        分析前面热应力的求解结果可以看出，导向器径向应力在绝大区域上表现为拉应力，切向应力在外环、内支撑环等大部分区域表现为拉应力，而在内环与内支撑环连接区域是表现为压应力。整个导向器的当量应力分布规律是叶片与内外环连接区域热应力值相对较高，其他区域热应力水平较小。在叶根与内环连接区域产生了最大的应力及应变量，其平均等效应力水平在100MPa-200MPa，最大应力处应力为371.6MPa。导向器结构中导流叶片的工作温度最高，于该型发动机，其导向叶片在工作状态下的最高温度可接近900 oC，根据表3和表4给出的材料静强度和持久强度性能可以发现，该导向器考虑静强度时整体上都是满足设计要求的，热应力水平也在允许范围之内，而若持续工作时间达到50小时以上，叶片叶根区域可能会由于局部应力值过高而产生热疲劳。

        考虑温度场作用下的导向器结构固有频率计算值要低于常规方法不考虑温度场情况下的计算值，较好的验证了温度场对结构振动问题求解的修正特点；由应力云图可知，稳定工作状态下导向器的最大应力集中发生在叶片与内外环连接区域，因此该区域是进行强度计算的关键部位；该航空发动机涡轮导向器结构整体上满足结构静强度设计要求，而对于持久强度设计要求来说，导流叶片可能不满足50小时持久强度设计要求，其叶根区域有可能会因热应力过大而引起热疲劳。