航空发动机集合了众多学科成果,是一款名副其实的众多学科知识凝结成的高科技产品。由于部件长时间处在高速、高温、高压的环境下工作,发动机的结构问题十分突出。本文针对法国Turbomeca公司的ARRIUS涡轴发动机进行了结构有限元建模、转子动力学特性与部件疲劳计算和分析。本文通过燃气涡轮导向器等一系列算例研究发现,工程中常用的三维实体单元与壳单元组合模型存在较大的刚度误差,由于壳单元的转角自由度无法被三维单元接受,组合模型的刚度明显低于三维实体单元,造成计算误差。为分析发动机整机和转子动力学性能,本文建立了ARRIUS发动机的整机模型,以计算机匣静子系统转子支承刚度,对高、低压转子系统动力学进行了分析。计算结果表明,如不考虑油膜阻尼及壳-三维模型弱刚度,高压转子跨一阶临界转速,二阶临界转速在最高工作转速附近;低压转子将跨两阶临界转速,所设计的工作点都有超过15%的安全裕度。进一步研究发现高压转子共振频率对后支承刚度的变化十分敏感,若提高后支承刚度1.2倍,高压转子的临界转速特性将得到很大改善。量化分析高压系统转子,需要建立更为可靠的支撑刚度和油膜轴承模型。预测发动机转子的疲劳寿命是发动机设计的关键。本文在涡轴设计点工况稳态温度边界条件下,建立二维高压转子模型,分析计算高压转子疲劳寿命。弹性计算结果表明涡轮盘盘心应力最大,使用Neuber方法换算塑性应力和塑性应变,计算涡轮盘最短寿命为15500周。由于模型没有考虑对流换热,涡轮盘心热应力梯度偏大,计算的涡轮寿命偏保守。高压轴在螺母退刀槽处有明显的应力集中。使用光滑试件疲劳模型计算得高压轴寿命为12354周,由于应力集中的影响,所得寿命也偏保守。计算分析结果表明本发动机在动力学和疲劳寿命方面都能满足使用可靠性的要求,目前的问题可以通过试验验证得到改进解决。