关键词：ANSYS 燃气涡轮发动机 结构分析

1. 引言

燃气涡轮发动机对军事和国民经济建设具有极端的重要性，历来受到主要工业国家的重视，其技术发展相当迅速。燃气涡轮发动机对性能、安全性、可靠性、耐久性、适用性的要求非常高，重点体现在对结构强度、振动和寿命的设计要求上。大型分析软件ANSYS因其强大的结构力学、温度场、流体力学以及耦合场分析能力等，在世界上，包括普惠、罗罗等国际知名企业在内的发动机行业都广泛使用它作为最主流的分析平台。我院也不例外，自1993年引进ANSYS起，陆续解决了多种复杂的结构力学、流体力学、温度场以及耦合场等分析问题。现结合燃气涡轮发动机的典型构件将ANSYS在我院结构力学计算方面的主要应用情况作一简介。

2. 结构静态分析

ANSYS的静态结构分析主要是求解在静载作用下的位移和应力等，包含线性和非线性静态分析。在非线性问题中，可以求解包括塑性、应力强化、大变形、大应变、接触、蠕变等问题；可处理材料非线性、几何非线性和边界非线性等问题。

在燃气涡轮发动机结构分析中，常用的静态分析内容包括：

刚度分析

发动机总体结构中，支承刚度往往是影响整机振动的关键因素，必须对支承刚度进行分析。发动机常用的弹性支承元件包括弹性环、鼠笼和拉杆等。通过有限元静态分析，求得在一定载荷作用下结构的变形，进一步得到结构的刚度。弹性环的分析结果见图1。

变形（位移）分析

发动机中，叶片的变形量直接关系到间隙设计的好坏，所以必须对叶片的变形进行分析。特别是风扇叶片，由于气动性能的要求常常设计成大展弦比或掠型，叶片在离心力、温度和气动载荷下的大变形分析是必要的。风扇的大变形分析结果见图2。

应力分析

应力是控制结构寿命的关键因素。发动机结构设计中，主要关心应力分布和应力幅值。应力的分布可以对结构的修改设计（如叶片的罩量调整）提供指导性建议，而应力幅值决定了结构寿命。压气机叶片的应力分析结果见图3。

接触分析

发动机中不乏接触的实例，例如齿轮的啮合，叶片榫头和轮盘榫槽的接触，压气机的盘与鼓筒的配合等，有时甚至还会涉及多体接触问题（如涡轮叶片、盘和挡板的接触）。如果计算精度要求不高或只是用于方案设计，可以采用二维接触模型，对于计算精度要求较高的设计，采用三维模型。齿轮啮合接触有限元模型见图4，榫头与榫槽的二维接触应力分析见图5，涡轮叶片—盘—挡板的三维多体接触有限元模型见图6，涡轮盘与销孔三维接触分析见图7。

低循环疲劳寿命（LCF）分析

低循环疲劳寿命（LCF）是结构疲劳破坏的重要指标。采用有限元—局部应力应变法对结构进行分析。涡轮盘低循环寿命分析见图8。

3. 结构动态分析

ANSYS的动态分析主要包括：固有频率和模态分析、谐响应分析和瞬态响应分析。
为了评价发动机构件的高循环疲劳寿命（HCF），必须进行结构的动态分析。常用的动态分析内容有：

固有频率和模态分析

为避开和防止有害的共振，必须对叶片等关键旋转件进行固有频率和模态分析。

在涡轮机械中，具有周期对称的结构较多，如整体叶盘、锥齿轮等，ANSYS提供了周期对称模态分析技术，很好地解决了计算精度和效率之间的矛盾。整体叶盘循环对称模态分析结果见图9。

谐响应分析