某发动机支架连接点结构设计分析

某发动机支架连接点结构设计分析

王国顺

中航通飞研究院有限公司

摘要：对某飞机发动机支架连接点结构进行了设计，分析了机加结构接头与焊接结构接头的结构特点，从加工工艺性、结构重量、经济性等方面对比两种结构形式优缺点，选取了一种较为合理的设计方案。

关键词：发动机支架；接头；焊接工艺

1引言

飞机发动机支架是将航空发动机连接到飞机机体上，并承受其重力、惯性力和推力载荷的装置。作为飞机关键零部件，发动机支架不仅承载设备的安装，同时在飞行中需承载较大的动、静载荷和疲劳载荷[1]。支架的设计和制造直接影响到发动机的稳定性和飞机的整体性能，对于确保飞机的安全飞行至关重要。

通用飞机发动机体积较小，发动机支架一般由高强度钢管焊接而成。为保证发动机支架强度以及稳定性，需要用到较多钢管，因此具有接头数量多，焊缝曲线不规则，成品尺寸精度要求高等特点[2]。如果焊接工艺措施不当，焊接残余应力大将导致严重变形，甚至会在使用中导致焊缝开裂[3]。本文针对某电动飞机发动机支架特点，对发动机支架连接点结构进行了详细设计和工艺分析，选取了合理的接头结构形式。

2发动机支架材料结构

电动飞机发动机支架上安装有电动机、电池箱、电控系统、飞机前起落架等设备，结构形式复杂。发动机支架主要由30根ASTM 4130结构钢圆管焊接而成，其中主支撑圆管规格为φ15.88mm×0.9mm，横向连接圆管规格为φ25.4mm×1.47mm。由于发动机支架前后距离跨度大，为提高支架稳定性，需要在支架中间部位设置连接点，连接支架前、后杆件。根据发动机支架结构布置，7根结构钢圆管轴线在连接点处相交，如图1所示。

注：1为主支撑圆管1；2为主支撑圆管2；3为主支撑圆管3；4为主支撑圆管4；5为主支撑圆管5；6横向连接圆管1；7为横向连接圆管2

图1 圆管轴线交点示意图

按照结构钢圆管实际尺寸进行三维建模，实际模型如图2所示。

接头整体图               局部图

图2 连接点结构图

图2连接点结构中，7根结构钢圆管在连接点相交，连接点结构复杂，焊缝多而密集，局部最多有4根焊缝重叠。结构钢圆管壁厚较薄，最小壁厚小于1mm。支架上密集的焊缝在焊接过程中产生大量热输入，同时焊件结构不规则及薄壁细长管特性都很容易导致支架焊接变形，影响支架安装尺寸和形位公差。复杂焊缝容易存在缺陷，在使用中会引起裂纹和脆性断裂，影响结构的刚度、强度和受压稳定性，此外复杂连接形式引起加工良品率降低，从而增加加工成本。因此需要对接头焊接形式进行优化。

3连接点结构设计方案

3.1设计原则

由图2连接点结构特点可知，焊缝距离近、焊缝重叠区域大是影响焊接质量的主要原因。因此发动机支架连接点结构设计原则为通过增加或调整连接点结构，增加各焊缝之间的距离、减少焊缝重叠区域。一个可行方案为在连接点增加一个金属接头，各结构钢圆管连接在金属接头上，从而降低加工难度。金属接头可以为机加件或者焊接件，分别对两种接头形式进行分析。

3.2机加金属接头方案

机加接头通常指的是通过机械加工方法（如车削、铣削等）直接将两个或多个零件连接起来的接头，具有尺寸控制精确、装配简单等优点。

为了消除焊缝干涉，需要重新界定圆管端面。以结构钢圆管交点为起点，沿各圆管轴线向外偏移圆管端面，偏移距离应超过相邻圆管的轮廓干涉区域。以主支撑圆管1、主支撑圆管2示例，偏移示意图如图3所示。

图3 圆管端面偏移示意图

各结构钢圆管偏移后的端面形成机加接头外形包络，在各圆管方向上设置与圆管的连接区域，去除接头内部以及外部多余材料以减轻重量。圆管通过螺栓连接或焊接在接头连接区域。机加接头使用4130钢加工而成，重量0.65kg。机加接头结构如图4所示。连接效果图如图5所示。

图4 机加接头结构图

图5 机加接头连接效果图

3.3焊接金属接头方案

发动机支架焊接工艺方式是较为成熟的工艺，在多种机型上得到了应用。通过分析现有焊接工艺发现，适当减少发动机支架连接点焊缝的重叠数量即可满足工艺要求。结合发动机支架连接点的结构钢圆管布局方向，设计了一种焊接金属接头，结构形式如图6所示。

图6 焊接接头结构图

焊接接头由3段φ28.575mm×1.47mm规格的4130结构钢圆管焊接构成。3段结构钢圆管相互垂直，重量为0.13kg。安装时先将2根φ25.4mm横向连接圆管插入接头内部焊接，然后焊接其余5根φ15.88mm圆管。连接效果图如图7所示。

图7 焊接接头连接效果图

3.4强度分析

两种方案均需将圆管焊接在接头上，需要对焊缝强度进行加校核。最大载荷位置在φ15.88mm圆管焊缝处，对该位置焊缝强度进行计算。焊缝的材料为4130合金钢，焊缝的剪切极限许用应力，拉伸极限许用应力。

φ15.88mm圆管的截面参数为：

                       (1)

式中：A为圆管截面积，D为圆管外径，d为圆管内径

                       (2)

式中：W为圆管抗弯截面模量，D为圆管外径，d为圆管内径

                       (3)

式中：I为圆管形心轴惯性矩，D为圆管外径，d为圆管内径

                       (4)

式中：J为圆管极惯性矩，D为圆管外径，d为圆管内径

焊缝正应力为：

                       (5)

式中：为正应力，为z向载荷，为x轴弯矩，为y轴弯矩

焊缝剪应力为：

                       (6)

式中：为剪应力，为x向载荷，为y向载荷，为z轴弯矩

将给定的焊缝载荷代入公式（5）、公式（6），中计算得到焊缝正应力值为，小于拉伸极限许用应力。剪应力值为，小于剪切极限许用应力。焊缝强度满足使用要求。

3.5接头结构方案对比

机加金属接头方案和焊接金属接头方案均具备可行性，对其各自优缺点进行对比以选取最优方案。

1)机加金属接头优点：接头加工精度高，结构强度、刚度高，加工过程中不易引入内部缺陷；

2)机加金属接头缺点：重量大（重量为0.65kg），材料利用率低，加工周期较长，成本高；

3)焊接金属接头优点：重量小（重量为0.13kg），材料利用率高，加工周期较短，成本低；

4)焊接金属接头缺点：接头加工精度较低，加工过程中易引入缺陷，关键焊缝位置需要进行缺陷检测。

经对比，焊接金属接头在重量、成本等方面有较大优势，且工艺成熟，精度能满足设计要求，因此最终选择焊接金属接头方案。焊接金属接头通过了强度试验，在装机运行中使用可靠。

4结论

对某飞机发动机支架连接点结构进行了设计分析。分别对机加结构接头、焊接结构接头进行了设计，对焊缝强度进行了分析，结果表明两种形式均能实现预期功能。

机加金属接头具备加工精度高、结构强度好等优点，但同时存在重量大、成本高等缺点；焊接金属接头具有重量小、成本低等优点，也具备加工精度低、易引入缺陷等缺点。综合考虑现有工艺情况、设计重量限制等因素，选取了焊接金属接头的结构形式，试验和使用结果表明焊接金属接头设计合理、工艺可行、使用可靠。

本文研究结果表明：合理的焊接接头选择与设计不仅能保证焊缝和结构件的强度，还可以简化生产工艺，节约制造成本。本文方法为复杂发动机支架连接结构提供了一种解决途径。

4参考文献

[1] 高 平,何建新,沈 涛,韩鹏,杨勇,温少刚.通用飞机航空发动机支架焊接研究与设计[J].内燃机与配件.2023(15):45-47

[2] 杨凤君,徐良,刘西洋,廖盈.发动机连接支架的焊接工艺研究[J].机械制造文摘（焊接分册）.2018(5):31-35

[3] 朱石刚,郑涛,冯锦丽.某型发动机总管支架圆杆脱落故障分析及工艺改进研究[J].中国航空学会第八届航空发动机可靠性学术交流会[C].2015:645-650