基于思维导图方法的复合材料中介机匣设计

杨 帆，方 浩，赵普扬

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

0 引言

中介机匣是涡扇发动机中连接风扇和高压压气机的重要过渡通道和主要承力部件[1-2]。某型发动机中介机匣当前的全钛合金结构质量严重超出了总体专业给定的质量指标，国外在中介机匣上较常见的减质设计方法是采用薄壁件焊接结构，但由于该型发动机与飞机的连接形式与国外并不一致，其主安装节机构设置在中介机匣上，因此从结构强度角度考虑该中介机匣并不适用焊接结构。另一类中介机匣减质设计方法是采用复合材料和钛合金复合结构，这种方法目前国内外研究资料并不常见，主要难点1是如何将复合材料和金属材料适当搭配，即达到减质目标，又能满足中介机匣强度要求；难点2是在当前中国航空发动机领域复合材料的性能参数和工艺水平较低的情况下，如何最大限度规避复合材料的缺点。本文采取思维导图的设计方法，构建了复合材料中介机匣结构设计的图形化脉络，随之确立了改进结构的设计准则，进而完成复合材料中介机匣结构设计。

1 构建思维导图

思维导图是英国著名心理学家托尼·巴赞（Tony Buzan）在研究大脑的力量和潜能过程中，于20世纪60年代初期所创，是1种将放射性思维具体化的方法。构建思维导图应有1个中心概念，并由此中心概念向外引申出2～8个与其相关的知识要点，即形成一个个分枝，在每一分枝上都赋以不同概念的关键词，再由每一分枝的要点向外散出2～8个相关的知识要点，以此类推，形成1个树状的结构图，结构图可以用不同色彩和图像来表示。思维导图作为1种图文并茂的有效工具，开启了人类大脑的无限潜能[3-4]。

Mindmanager是Mindjet公司开发的1款实现思维导图的可视化软件工具，提供给用户更有效和电子化的手段来捕捉、组织信息和想法[3]。将“复合材料中介机匣结构设计”作为1个系统问题，在深刻理解原有全钛合金机匣结构的基础上[5-7]，利用Mindmanager软件展示该问题的层次关系，如图1所示。

图1 复合材料中介机匣结构设计思维导图

将思维导图中“复合材料中介机匣结构设计”作为中心主题，可分解出3项次主题:复合材料、中介机匣和结构设计。对这3项次主题进一步分解和发散，形成许多更低层次的分枝内容，并标示出各分枝间的相互关系，便于分析和总结，形成在现有材料和工艺条件下，具有工程实际的、可行的复合材料中介机匣结构设计准则。

2 设计准则

依照如图1所示的思维导图的分析，在中介机匣分枝中最重要的功能是主承力框架，表明中介机匣主要承受发动机工作时的气动载荷和飞机机动飞行时的机动载荷，依据飞机和发动机的多种不同工况进行排列组合。作用在中介机匣上的这2类载荷状态合计有20多种，属于典型的多轴载荷[1,8]，使仿真计算变得十分困难。另外，吸取之前复合材料机匣设计、加工和使用的经验教训，就中国目前复合材料的现状来说，复合材料还不能担任主要的承载角色，特别是在中介机匣这种多轴载荷复杂且交变的部件上，因此，得到的设计准则之一就是复合材料不能设置在中介机匣的主要传力路径上，即不能作为主承力结构。具体来说，复合材料要避免在中介机匣与风扇以及高压压气机的连接部位、各传力支板、中介机匣与中央传动组件以及外部附件等连接部位、中介机匣主安装节、中介机匣辅助吊点等部位上使用。

另外，通过思维导图分析，在“结构设计”分枝中需要保证中介机匣的静强度和疲劳寿命，因此，得到第2条设计准则就是复合材料可以用于中介机匣应力水平较低的部位即次承力结构上。因此，需要按照原有全钛合金机匣的静强度应力（如图2所示），查找出应力水平较低的部位，合理利用结构设计，实现复合材料替换使用并保证其可靠使用的目的。

图2 钛合金中介机匣静强度应力

3 具体实施

3.1 结构设计

因加工方法的差异，传统的中介机匣结构形式可分为3种:整体精密铸造、焊接结构、焊接与装配相结合。3种形式的中介机匣各有其优缺点[9-11]，但显然与复合材料的材料特性都不能很好匹配，因此，需要设计1种既要适应复合材料特性，也能够遵循上述2条结构设计准则的中介机匣结构。依据中介机匣和复合材料加工制造的工艺特点[12]，以及目前中国复合材料发展的现状，最终选择了装配式结构。在中介机匣的低应力区域，且非传力路径上装配复合材料，主传力路径上依旧采用金属材料，复合材料与金属基体间采用螺栓连接等结构，具体结构设计如图3所示。

图3 复合材料中介机匣结构设计

图中所示的外机匣1、支板型芯3和内机匣7均处在中介机匣的主传力路径上，根据设计准则第1条，都应使用钛合金材料。且支板型芯3的上、下两端均设计有连接螺栓孔，与外机匣1及内机匣7分别连接，形成完整的主传力路径。考虑到之前复合材料机匣的失败经验和中介机匣分流环的结构特点[13]，每2块支板之间的分流环采用钛合金分流环支架5与复合材料分流环6的装配式结构，分流环支架的左、右两端设计有安装边，与相邻支板型芯上的螺栓孔配合，连接成一体，后端则与高压压气机连接。这样既能减轻质量，又能保证分流环安全可靠。其余中介机匣上应力水平较低的部位，例如图中的外机匣蒙皮2、支板蒙皮4和内机匣蒙皮8等，适用设计准则第2条，采用复合材料。这种装配式结构既保证了不破坏中介机匣主传力路径，也保证了中介机匣与风扇、压气机、中央传动及轴承组件的可靠连接，合理使用复合材料减轻部件质量，据估算可以减轻约8%，最终实现总体专业给定的质量指标。

3.2 强度计算

对整体铸造金属中介机匣和复合材料中介机匣进行简单的强度对比计算，复合材料中介机匣最大等效应力比金属中介机匣的升高了1.7%，复合材料中介机匣最大变形量比金属中介机匣的增加了2.2%，因此，可以认为复合材料中介机匣的刚度稍弱于金属中介机匣的。

另外，还对比计算了2种中介机匣的固有模态频率，结果如图4所示。从图中可见，2种中介机匣的固有模态变化不大。

当然上述计算均建立在简化复合材料性能的基础上，因此存在一定的计算误差，但依据计算结果和趋势分析可见，这种由思维导图发散而来的复合材料中介机匣结构设计方法是切实可行的，且具有一定的工程可实现性。

图4 金属中介机匣和复合材料中介机匣模态对比

4 技术展望

上文所述的装配式结构是吸取了之前复合材料机匣的失败经验，并考虑了目前中国复合材料发展水平的1种“折中”设计手段。既有限度的使用了复合材料以满足减质要求，又保证了中介机匣的安全可靠。不过从实际工程应用来看，由于主要流道件均采用复合材料，短时间使用没有问题，在长期使用过程中还需重点关注和考察复合材料的耐冲刷等材料性能。

随着中国复合材料研制的深入，复合材料的技术成熟度已有较大提升，后续可以利用拓扑优化的方法，依据中介机匣强度仿真计算结果，并参照F119发动机的结构[14-15]，将主要承力部件逐步用复合材料替代，进一步增加复合材料的使用比例，并可以利用较成熟的增材制造方法，实现中介机匣复杂的内部结构，从而大幅度降低中介机匣的质量，提升整机推重比。这一发展思路也符合国际复合材料在飞机和发动机领域由次承力结构向主承力结构递进的应用脉络，如图5所示。

图5 波音和空客公司飞机使用复合材料比例

5 结束语

按照思维导图的方法，分析了“复合材料中介机匣结构设计”这一中心主题，逐级分解得到各级低层次分枝，并通过分析各层次分枝之间的相互关系，总结出2条现阶段复合材料中介机匣结构设计的设计准则。依据这2条设计准则完成了1种装配式复合材料中介机匣结构设计，达到了预期的减质效果，实现了总体专业给定的质量指标，并为后续复合材料中介机匣结构设计的深入研究提供了1种设计思路。