作者：李富才 阮昌龙 王月 李庆海
来源：《青岛大学学报（工程技术版）》2020年第03期
摘要：为满足轻型涡扇发动机地面试验，本文采用UG（Unigraphics）软件，对轻型涡扇发动机悬挂式试车台架进行设计，并应用Ansys软件，建立试验车台架结构有限元模型，对悬挂式试车台架的结构和强度进行分析与计算。研究结果表明，试车台架结构在发动机推力与重量载荷耦合作用下，最大应力发生在动架前安装节根部圆角处，其Von Mises等效应
力为16817 8 MPa，远小于材料Q345的屈服强度345 MPa，且当量应力主要由Y向应力决定，最大为15064 MPa，其Von Mises总应变为113×10-4 mm，满足强度和刚度设计要求。该设计不但可以安装不同型号的发动机，节约了成本，而且实现了推力测量及校准功能，降低了意外发生的风险。该研究为搭建试车台架提供了理论依据。
关键词：发动机; 试车台架; 有限元分析
中图分类号： U464; V263.4文献标识码： A
近年来，随着现代航空航天技术的迅猛发展，航空科学技术与高推重比发动机的研究有了新的突破，这对发动机的试验测试及地面试车台有了更高的要求。试车台架是试车台的核心组成部分，是用来安装被试发动机，并装有适当的推力测量系统，用以精确地测量发动机的推力，其他设备均以它为中心进行布置和安装[1]。为了满足试验需要，应不断提高发动机试车台架的功能。在已有的研究中，张爱民等人[210]关注的重点是试车台系统或测控系统的设计;而范泽兵等人[11]主要对航空发动机高空模拟试车台架的参数进行设计;邹德震[12]研究了航空发动机试车台架的改造方案。以上这些研究均忽略了对台架关键部件的设计、受力分析和限位保险装置的研究。基于此，本文以悬挂式台架为研究对象，采用参数化设计技术，
对轻型涡扇发动机悬挂式试车台架的关键部件进行设计，并对关键受力件进行受力分析。同时，采用Ansys软件，建立了试验车台架结构有限元模型，对试车台架进行整体受力分析，并得出应力集中位置，因此满足强度设计要求。该研究为试车台架设计和优化改进提供理论依据。
1悬挂式试车台架结构分析与设计
涡扇发动机试车台架结构图如图1所示。涡扇发动机试车台架在试验间内搭建，主要由静架、动架、弹、发动机安装架和推力测量装置等组成。静架主要由前支撑、主横梁、副横梁、后支撑及墙体固定座组成。静架通过刚性连接与地面相连，其作用相当于基础[1318]。动架由钢板焊接而成，弹主要连接动架与静架。发动机安装架主要包括主安装架体和辅安装架体。推力测量装置主要包括推力测量装置和推力校准装置。
经分析，发动机安装架、推力测量系统及限位保险装置直接影响发动机性能、推力测量及安全性，应作为试验台架的关键件进行设计。为提高效率，缩短设计周期，采用参数化设计技术对关键件进行设计。
1.1发动机安装架结构设计
发动机安装架主要用于支撑发动机，发动机安装架结构如图2所示。包括主安装架体、辅安装架体、主安装节、辅安装节等。主安装架体和辅安装架体安装在动架上，两个主安装节用于固定发动机的前安装边，两个辅安装节用于固定发动机的后安装边，锁紧螺母固定发动机左右移动及发动机的六个自由度，最终完成发动机的安装和定位。为了保证发动机热膨胀的需要，主安装节与主安装体之间留有8.5±4 mm的移动间隙，辅安装节与主安装体之间留有8.5±4 mm的移动间隙[19]。
辅安装架体由升降杆、螺旋支撑杆、销轴、底座等组成，在左右两个辅安装架体内，设计了可调节的销轴、升降杆及螺纹支撑杆。销轴分别安装在辅安装架体底座内，可实现前、后移动调节;升降杆通过螺纹可以實现上、下调节;螺旋支撑杆在销轴内可实现左、右调节，所以辅安装体可适用于不同型号发动机的安装。
1.2推力测量及校准系统设计
推力测量及校准系统结构如图3所示。推力测量系统主要由工作传感器、工作传感器座、测量座、动架、静架等组成。为了保证推力测量的准确性，在台架左、右各设计一套推力测量装置，测量座固定在动架上，工作传感器座固定在静架上，动架与静架间安装工作传
感器;推力校准系统主要由推力加载装置、标准传感器、标准传感器座、动架、静架等组成。为了更好地模拟发动机的测试状态，推力校准系统采用中心加载校准方式设计[3]。推力加载装置固定在静架上，标准传感器座固定在动架上，推力加载装置与标准传感器座间安装标准传感器。
1.3限位保险装置设计
限位保险装置由下座、销轴、上座、锁紧螺栓等组成，前、后各设置两套，且安装方向相反，限位保护装置结构如图4所示。上座安装在静架上，下座安装在动架上，通过销轴将上座与下座连接。为防止动架晃动，用锁紧螺栓将动架锁紧。
限位保险装置的连接销轴部分尤为重要，在发动机正常试验状态下，该限位保险装置不能处于受力状态，因此在销轴处需设置一定间隙;当弹断裂或者其他意外事故发生时，限位保护装置开始工作，销轴承力。
2悬挂式试车台架强度分析
2.1弹强度分析
弹主要连接动架和静架，该试车台共设置四块弹，前、后各两块。动架上的部件相连属于刚性连接，从结构力学原理分析可知，其结构是几何不变系统[20]。由于弹状态直接影响推力测量的准确性及发动机安全，作为整个台架的关键件，需在不同状态下进行受力分析。发动机产生的推力（T）由两个推力工作传感器传递至静架，试车台弹受力示意图如图5所示。
发动机支撑架 弹材料为60Si2MnA，弹的最小截面尺寸120 mm×3 mm，其抗拉强度极限为δb=1570 MPa。试验对象为轻型发动机，最大设计推力为15 000 N，分别对发动机工作与不工作的状态进行分析。
1）发动机不工作状态。试车台架的动架总重W为发动机质量Wf和安装架质量Wd之和。根据实际设计数据，即W=Wf+Wd=2000 kg（发动机质量500 kg，安装架质量1500 kg）。
此时推力T=0，作用在弹上的力只有总重力W=20 000 N，发动机重心距离前弹L1=650～750 mm，前后弹的跨距为L0=1700 mm。发动机不工作时弹受力简图如图6所示。
通过计算，得前弹和后弹受力分别为
F1=11 176.5 N（12 353 N）， F2=8 823.5 N（7467 N）
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