【摘 要】本文介绍某发动机压气机减重设计中对材料更改的力学特性分析，利用UG和ANSYS软件对压气机减重所设计的强度问题进行系统的强度分析设计。

　　【关键词】压气机；减重设计；有限元分析；振动特性；强度；刚度

　　0 前言

　　某型号发动机压气机是基于20世纪50年代的材料、冶金、铸造、生产、和工艺技术设计的，在材料和加工工艺方面大大落后于当代水平，该发动机在同类发动机中技术已显落后，具有很大的提升空间，尤其突出的是，与相同推力发动机的重量相比，重量超出数百斤，不但大量消耗了燃油，而且降低了有效载荷。目前，新材料、先进的加工设备和加工工艺为减重提供了坚实的物质基础，对压气机进行减重研究，而强度设计是保证减重成功的重要设计分析手段之一。

　　该压气机是单转子十级轴流式亚音压气机，由转子和静子两部分组成。在之前压气机所使用的材料是密度比较大的结构钢，使得压气机的重量较大，为了减轻压气机的重量，采用密度比较小的钛合金来代替结构钢。这需要对减重前后的压气机的强度、刚度和振动特性是否符合要求，进行了论证分析工作，分别对压气机的整体盘和叶片在结构钢和钛合金两种材料下进行了对比强度分析，来确保该压气机的减重强度满足可靠性要求，为今后同类产品的减重设计积累了重要经验。

　　1 减重强度设计的技术指标

　　减重设计的强度分析，是保证优化设计得以顺利进行的重要指标之一。要保证更改材料使部件在满足减重要求的同时，其性能指标以及其他参数指标有所提高。

　　振动特性要求 新材料的叶片固有振动频率要大于原材料的固有振动频率，且在工作区域内主要倍频和分频不会影响发动机的振动特性。满足材料更改满足振动特性要求，使其在工作状态及过渡状态避免共振情况的发生。

　　强度要求 更改后的新材料叶片和轮盘的强度刚度特性要优于原材料，且要低于新材料的屈服极限，留有足够的裕度。

　　刚度要求 更改后的新材料叶片和轮盘的最大径向位移要小于原材料最大径向位移，使其满足刚度设计要求以及配合间隙的要求，避免工作状态发生刮磨事故的发生。

　　2 相关理论

　　在分析过程中应用了ANSYS软件的最新分析方法。在软件的使用过程中，紧跟软件的最新版本，充分发挥了有限元软件的功能，并且发掘出了软件的许多新功能。采用间接耦合分析，间接耦合分析是指特定的顺序求解单个物理场的模型。前一个分析的结果作为后续分析的边界条件施加，有时也称之为序贯耦合分析[1]。进行过盈配合分析，在接触问题中很难分析高度非线性特征，需要较大的计算资源，为了进行有效的计算，采取合理的方式进行等效应力的方式进行等效预紧力。

　　3 计算参数的选取

　　材料数据性能比较分析

　　经过对材料性能以及以往发动机材料的经验，并根据相关航空材料数据手册[2-3]，对压气机盘由不锈钢1Cr11Ni2W2MoV改为钛合金TC11。

　　4 计算内容及结果分析

　　4.1 叶片的振动分析

　　在所有的发动机在研制和使用过程中，几乎都发生过叶片的振动问题，据有关资料表明，叶片振动故障大约占发动机结构故障的三分之一，诸如裂纹、折断等叶片故障事故，绝大部分是因叶片振动引起的[4]。因此在压气机减重设计中，必须进行叶片的振动分析。

　　进行工作叶片模态分析，避免发生共振的情况，经过计算分析，各阶振动频率均高于工作频率。且倍频和分频内不影响发动机振动特性曲线，满足工作频率的要求。

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