摘 要：针对SR20飞机空调压缩机安装结构，运用有限元分析软件ANSYS，对该结构及连接部件进行精确的数值建模，然后利用ANSYS对该结构在外载荷作用下的力学特性进行数值模拟分析，并运用后处理对数值分析结果进行数据及图像描述，最后对压缩机及连接部件的力学性能进行评估，并通过数值模拟分析设计优化后该结构的动力响应及力学性能，为压缩机结构的改进设计和日常维护提供了有力依据。
关键词：压缩机结构；有限元建模；动力响应；优化设计
引言
SR20飞机作为新型引进的机型投入运行已一年多的时间，在该机型上多次出现空调压缩机接耳及固定衬套裂纹、断裂等故障。经初步的结构及受力及分析，发现造成压缩机裂纹故障频发的根本原因在于空调压缩机与机匣连接设计存在缺陷，其安装固定方式不合理，据此判断该出现故障将是该机型的普遍现象，故有必要在该机型上对压缩机的固定方式进行优化设计和改进，否则势必造成在飞行训练中压缩机裂纹故障高发，不仅增加了机务维修工作的任务量，还对航材和人力资源造成了严重的浪费，降低了飞机的使用效率。
文章将力学相关理论知识、数值建模仿真分析和工程实践经验相结合：以一定程度的理论力学、材料力学、固体力学相关理论知识和相关实践经验为依托，对空调压缩机及其连接结构进行结构简化和数值建模，以模拟该结构在实际中的力学特性，并为飞机制造商提供高强度飞行训练使用条件下的压缩机故障统计、分析和优化改进可行性及实用性分析数据。
1 压缩机安装结构有限元模型的建立
该压缩机安装结构原理示意图如图1所示。压缩机下端通过其接耳、衬套的配合及螺杆的贯穿作用，与安装在发动机机匣的支撑片相配合，另一端通过连杆固定在机匣上（图中未画出），右端皮带轮通过皮带的作用带动压缩机内部机构做旋转运动，从而保证空调系统的正常工作。
该空调压缩机结构中，压缩机、接耳、支撑片、螺杆及皮带轮均采用合金钢材料，衬套采用硬铝材料，其材料性能属性如表1所示：
表1 材料性能参数表
1.1 压缩机结构有限元模型的建立
对压缩机结构的数值模拟分析主要考察该结构的动力特性及危险部位的应力水平，由于接耳部位受力比较复杂，如果单元区划过于庞大，结果的正确性不能保障；如果采用四面体单元，则其计算精度无法保证；同时，如果单元形状过于繁杂或者笼统，则计算规模就必须要扩大，而且其计算精度会大大降低。为了保证求解精度的实现，并且尽可能地减少网格数量并减少计算规模，在进行网格划分时，可以将压缩机体元分化成较多个形状较为规则的独立个体元，尽管接耳螺纹孔及相关连接部位的网格划分得比较细小，但是其精度就能够被更加有效的保证。而其它体元采用映射网格划分方法，可以将其形状划分为规则的六面体，利于数据的精准度分析。与此类似，除了支撑片、衬套等与其它部件相连接的部位的网格划分比较细密外，其它部位均采用体元分割、网格映射等方法生成形状较为规则的六面体单元。
1.2 压缩机结构接触模型的建立
为了保证模拟压缩机接耳与支撑片之间、接耳与螺杆之间以及支撑片与机匣之间的连接关系，就需要在其相连接、接触的部位建立接触单元，连接其技术工作点，因为由于生成的接触部位对有可能出现局部的初始渗透，会产生影响，所以须将CONTA174单元的关键字9设置成1，即删除初始渗透，防止模型初始接触与实际不符。
网格划分后总的实体单元数是24224，接触单元数是5192，节点数是31288。整个三维有限元模型如图2 所示。
1.3 边界条件和载荷的施加
根据该压缩机结构的设计规划条件， 支撑片与机匣为一整体结构，其下端面作为基础。因此在该结构的动力学分析中，将压缩机支撑片下端面全部自由度约束，以模拟其力传递到基础的过程；压缩机接耳及衬套通过固定螺杆与压缩机支撑片进行固定、连接。根据压缩机的工作原理，该压缩机皮带轮皮带张力应满足数值要求（9.5～12.2 N·m）。所以其能够对压缩机皮带轮及轴承部位添加两个周期内交变的压力加载曲线以模拟其皮带张力从最小值到最大值这一变化过程进行把握。同时，对整个结构施以重力加速度以模拟其所受的重力载荷。
图3 轴承部位压力加载曲线
在上图加载曲线中，压力值（Pressure）是通过皮带张力值与轴承直径、皮带轮长度等尺寸计算后得到的。其中， Time=0、0.025、0.05S时对应的压力值为9.933Mpa（相应的皮带张力值为9.5N·m），Time=0.0125S、0.0375时对应的压力值为11.333Mpa（相应的皮带张力值为12.2N·m）。
2 有限元模型数值计算及分析
在动力学问题中，为高效全面及时的得到结果得到一个较为稳妥或者能够使用动态力学求解的方程式为了较快地使结果能够准确可靠，还可以采用人工阻尼技术。根据工程实践经验，在此取阻尼系数=0.1。利用ANSYS动力学分析的完全法对压缩机结构在交变应力作用下的瞬态响应分析，并运用后处理对数值分析结果进行处理，得到该结构在某一时刻的应力云图及危险点处的应力-时间历程变化曲线。
2.1 基于数值模拟的应力水平分析
由于该结构在皮带张力作用下，压缩机结构在受力过程中承受弯矩作用，同时根据文献[1]可知，该结构通过固定螺杆将力传递到衬套及接耳上，此时接耳处的应力应达到最大。通过上述分析以及ANSYS的后处理动画模拟，可以看出在整个加载过程中较高的应力始终发生在接耳处，且始终发生在接耳与衬套连接部位的螺纹孔处。以此为据，重点对接耳螺纹孔处的应力及位移等才能够对动力特性进行分析。
选取压缩机接耳与衬套连接孔处节点编号为9091的节点，同时利用后处理数据分析功能，得出在Time=0.0099s时，该点处的应力最大，为797.426MPa。同时，经过数据处理及曲线拟合，得出该节点的应力-时间变化曲线。其Time=0.0099s时的U型架应力云图及危险点处的应力-时间历程变化曲线如图4、图5所示。
从图5可以看出，压缩机接耳处的应力-时间历程变化曲线出现明显的随机振动特征，这种随机振动是一般的振动特性，是弹性机构动力学的固有振动性质和接触对间的非均匀力学特性（间隙、几何数值建模等会引入此非均匀性）共同作用的结果；同时，该曲线变化与外载趋势相符，这符合线性加载方式的基本规律，也说明数值计算结果是可信与合理的。
2.2 基于数值模拟的动力特性分析
为了进一步描述压缩机结构在外载作用下的动力特性，压缩机接耳处任一节点的位移-时间响应曲线与衬套的实际变形进行比较，从而对该结构的动力特性进行评估。
根据工程实践可知，该压缩机接耳处变形多发生接耳、衬套及安装螺杆的轴向方向（即模型中的横向），且通过后处理动画可以看出，其竖、横向位移很小，最大为0.0182mm，可以忽略不计，因此仅重点分析该U型架横向变形情况。选取接耳螺栓孔外端节点编号为14999的节点，其横向位移-时间历程变化曲线如图6所示。
图6 节点14999处的X向位移-时间历程变化曲线
从图6可以看出，该压缩机结构接耳处的横向位移-时间历程变化曲线趋势与应力-时间历程变化曲线相类似，也出现明显的随机振动特征，其原因与上述分析相同。另外，该曲线变化与外载及应力-时间历程变化趋势相符，且其变形趋势与压缩机接耳实际结构变形相类似，也说明数值计算结果是可信与合理的。
3 结束语
文章介绍了该利用模式在ANSYS软件中对SR20飞机空调压缩机安装结构采用APDL参数化自底向上直接建模的方法，并利用瞬态动力分析模块，对该结构在交变载荷作用下的进行了数值模拟研究和对比，获取该结构的动力响应函数曲线，结果与实际基本贴切；并利用数值模拟技术对设计优化后的结构进行动力特性分析，结果表明，可以通过在接耳与支撑板连接处添加铝制垫片的方法减小压缩机接耳处的应力及变形情况，进而满足工程应用的需要。
参考文献
[1]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2001.
[2]宋宝玉.简明机械设计手册[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008.
[3]周宁.ANSYS机械工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2006.
[4]刑静忠.ANSYS应用实例与分析[M].北京：科学出版社，2006.
[5]张祖明.机械零件强度的现代设计方法[M].北京：航空工业出版社，1990.
[6]王仲华.飞行器折叠尾翼的弹性动力学有限元数值分析[D].西北工业大学硕士学位论文，2008.
[7]张亚辉，林家浩.结构动力学基础[M].大连：大连理工大学出版社，2008.
作者简介：王凯（1984-），男，汉族，河南省荥阳市人，硕士研究生，现任中国民航飞行学院洛阳分院工程师，从事工程技术工作。
从图5可以看出，压缩机接耳处的应力-时间历程变化曲线出现明显的随机振动特征，这种随机振动是一般的振动特性，是弹性机构动力学的固有振动性质和接触对间的非均匀力学特性（间隙、几何数值建模等会引入此非均匀性）共同作用的结果；同时，该曲线变化与外载趋势相符，这符合线性加载方式的基本规律，也说明数值计算结果是可信与合理的。
2.2 基于数值模拟的动力特性分析
为了进一步描述压缩机结构在外载作用下的动力特性，压缩机接耳处任一节点的位移-时间响应曲线与衬套的实际变形进行比较，从而对该结构的动力特性进行评估。
根据工程实践可知，该压缩机接耳处变形多发生接耳、衬套及安装螺杆的轴向方向（即模型中的横向），且通过后处理动画可以看出，其竖、横向位移很小，最大为0.0182mm，可以忽略不计，因此仅重点分析该U型架横向变形情况。选取接耳螺栓孔外端节点编号为14999的节点，其横向位移-时间历程变化曲线如图6所示。
图6 节点14999处的X向位移-时间历程变化曲线
从图6可以看出，该压缩机结构接耳处的横向位移-时间历程变化曲线趋势与应力-时间历程变化曲线相类似，也出现明显的随机振动特征，其原因与上述分析相同。另外，该曲线变化与外载及应力-时间历程变化趋势相符，且其变形趋势与压缩机接耳实际结构变形相类似，也说明数值计算结果是可信与合理的。
3 结束语
文章介绍了该利用模式在ANSYS软件中对SR20飞机空调压缩机安装结构采用APDL参数化自底向上直接建模的方法，并利用瞬态动力分析模块，对该结构在交变载荷作用下的进行了数值模拟研究和对比，获取该结构的动力响应函数曲线，结果与实际基本贴切；并利用数值模拟技术对设计优化后的结构进行动力特性分析，结果表明，可以通过在接耳与支撑板连接处添加铝制垫片的方法减小压缩机接耳处的应力及变形情况，进而满足工程应用的需要。
参考文献
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[3]周宁.ANSYS机械工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2006.
[4]刑静忠.ANSYS应用实例与分析[M].北京：科学出版社，2006.
[5]张祖明.机械零件强度的现代设计方法[M].北京：航空工业出版社，1990.
[6]王仲华.飞行器折叠尾翼的弹性动力学有限元数值分析[D].西北工业大学硕士学位论文，2008.
[7]张亚辉，林家浩.结构动力学基础[M].大连：大连理工大学出版社，2008.
作者简介：王凯（1984-），男，汉族，河南省荥阳市人，硕士研究生，现任中国民航飞行学院洛阳分院工程师，从事工程技术工作。
从图5可以看出，压缩机接耳处的应力-时间历程变化曲线出现明显的随机振动特征，这种随机振动是一般的振动特性，是弹性机构动力学的固有振动性质和接触对间的非均匀力学特性（间隙、几何数值建模等会引入此非均匀性）共同作用的结果；同时，该曲线变化与外载趋势相符，这符合线性加载方式的基本规律，也说明数值计算结果是可信与合理的。
2.2 基于数值模拟的动力特性分析
为了进一步描述压缩机结构在外载作用下的动力特性，压缩机接耳处任一节点的位移-时间响应曲线与衬套的实际变形进行比较，从而对该结构的动力特性进行评估。
根据工程实践可知，该压缩机接耳处变形多发生接耳、衬套及安装螺杆的轴向方向（即模型中的横向），且通过后处理动画可以看出，其竖、横向位移很小，最大为0.0182mm，可以忽略不计，因此仅重点分析该U型架横向变形情况。选取接耳螺栓孔外端节点编号为14999的节点，其横向位移-时间历程变化曲线如图6所示。
图6 节点14999处的X向位移-时间历程变化曲线
从图6可以看出，该压缩机结构接耳处的横向位移-时间历程变化曲线趋势与应力-时间历程变化曲线相类似，也出现明显的随机振动特征，其原因与上述分析相同。另外，该曲线变化与外载及应力-时间历程变化趋势相符，且其变形趋势与压缩机接耳实际结构变形相类似，也说明数值计算结果是可信与合理的。
3 结束语
文章介绍了该利用模式在ANSYS软件中对SR20飞机空调压缩机安装结构采用APDL参数化自底向上直接建模的方法，并利用瞬态动力分析模块，对该结构在交变载荷作用下的进行了数值模拟研究和对比，获取该结构的动力响应函数曲线，结果与实际基本贴切；并利用数值模拟技术对设计优化后的结构进行动力特性分析，结果表明，可以通过在接耳与支撑板连接处添加铝制垫片的方法减小压缩机接耳处的应力及变形情况，进而满足工程应用的需要。
参考文献
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[6]王仲华.飞行器折叠尾翼的弹性动力学有限元数值分析[D].西北工业大学硕士学位论文，2008.
[7]张亚辉，林家浩.结构动力学基础[M].大连：大连理工大学出版社，2008.
作者简介：王凯（1984-），男，汉族，河南省荥阳市人，硕士研究生，现任中国民航飞行学院洛阳分院工程师，从事工程技术工作。
