基于有限元法对某发动机尾喷管悬挂断裂的原因分析

基于有限元法对某发动机尾喷管悬挂断裂的原因分析
发表时间：2019-12-30T13:16:14.907Z 来源：《科学与技术》2019年 15期作者：陈李[导读] 某型飞机在某次飞行航后检查发现发动机内管右支撑螺杆螺纹处断裂1 概述
某型飞机在某次飞行航后检查发现发动机内管右支撑螺杆螺纹处断裂，见图1。

飞参数据中发动机振动加速度传感器测得的发动机振动值并无异常。

图1右支撑螺杆断裂处位置
2 静强度分析
根据上述描述，对尾喷管采用有限元算法进行计算说明。

在模型中施加向下4.46g的惯性载荷，有限元模型见下图所示。

图2有限元模型
应力计算结果见图3所示。

螺杆处的约束反力见图4所示。

图4 螺杆约束载荷示意图
由图可知，在上述情况下，螺杆处的约束反力很小，最大约束反力0.05N，可以忽略不计。

说明惯性载荷全部由法兰盘传递，而螺杆处并未承受惯性载荷。

3 频率特性分析
根据尾喷管结构及连接形式，进行尾喷管的固有频率分析。

分别计算尾喷管的内外管在常温（20°）、内管700°、外管300°（中间几字形件取500°）时的模态。

分析模型如图2所示，常温及高温下分析结果见表1。

表1 固有频率分析结果
从频率计算结果可知，尾喷管的低阶频率与螺旋桨频率（17.9HZ）和发动机转子频率（平均205HZ，怠速173.3HZ）差距较大，故尾喷管不会发生共振现象。

4 热应力分析
采用有限元法计算热应力，管壁采用Shell单元，单元尺寸15mm，接头等结构采用Tet10单元，单元尺寸5mm。

同时根据尾喷管内外管上温度传感器的实测温度，建立的有限元模型如下图：
从应力云图可知，在支撑杆存在应力集中，应力水平偏高（1070MPa），考虑到存在应力集中，实际应力会比上述应力要小。

5 断裂原因分析总结
对于发动机内管右支撑螺杆的断裂原因，从以下方面进行了分析：
1）从静强度计算分析结果来看，断裂螺栓处的载荷很小，不足以使螺栓断裂。

2）从频率计算结果来看，尾喷管的低阶频率与螺旋桨频率和发动机转子频率差距较大，故认为断裂螺栓不是由于共振引起。

3）热应力分析方面，尾喷管结构形式容易导致热应力集中，温度场能够形成热应力的趋势非常明显，计算得到的应力水平较高，在热应力导致的交变载荷和振动共同作用下螺栓会很快弯曲或断裂。

综上所述，热应力是导致尾喷管支撑螺杆破坏的重要原因。