飞机发动机外壳上的“鱼鳞”原来还有别的用途

文/杭小贝的日常科普

不知道有没有人注意到，有些军用飞机发动机的外壳并不是平坦光滑的，而是布满了鱼鳞状的结构。

△F-135发动机△

△EJ200发动机△

这种结构几乎在每一种先进军用航空发动机上都能看到，比如为F-35战斗机提供动力的F-135发动机、为F-22提供动力的F-119发动机、为欧洲“台风”战斗机提供动力的EJ200发动机等。 “ 战斗机。 等等，充满未来感。 那么这个独特的形状有什么用呢？ 难道只是为了美观吗？

减肥？ 增加刚度？是的，但不完全是正确的答案

有的朋友可能下意识的会说：这个结构其实就是为了减肥而创造的。 毕竟这样的结构相当于从完整的发动机外壳上“切掉”了很多材料，可以让发动机变得更轻。

另外，有的朋友也会说：这是为了加强发动机外壳的刚性，就像我们经常看到的加强筋一样。 只要有这样的结构，发动机壳体在受力时就不会变形。

△生活中随处可见加强筋结构△

这些答案都是正确的。 因为随着航空发动机变得越来越轻，发动机上的零件也要求做得更薄，尤其是像发动机壳体这样的零件，我们称之为“薄壁零件”。 但随着重量变小，一个问题就出现了：就像我们手里拿着一个易拉罐，轻轻挤压它就会变形。 因此，必须在发动机壳体上设计加强筋，以防止外力使这些薄壁零件变形。 。

△罐头是典型的薄壁零件△

通过在完整的壳体上一一切削出凹槽（这一加工步骤准确地称为“铣削”），不仅可以减轻发动机壳体的重量，而且可以在一定程度上保证壳体的刚性。 真是一箭多鸟。

然而，除了减轻重量和增加刚度之外，这种鱼鳞结构还有其他重要功能。

鱼鳞？ 它的名字其实是“华夫饼”

刚度低确实是薄壁零件的一个大问题，但薄壁零件在发动机内部还有一个更大的问题——“振动”。

简单地说，薄壁零件由于刚度不足，很容易产生振动钢结构鱼鳞板，或者振动很容易向各个方向传播，而这些振动会导致其他零件的故障，那么如何防止薄壁零件振动和防止振动能量在这些部件中传播？ 结构中的传播是一个长期存在的问题。

△薄壁件承受复杂振动△

但此时，工程师们发现了一种可以阻止振动能量传播的神奇结构，那就是“周期性结构”。 所谓周期性结构就是在空间/平面上依次排列的同一结构。 该周期性结构可以是一维、二维或三维的。

△周期性结构△

发动机壳体上的“鱼鳞”也是周期性结构。 当振动在这些结构内传播时，并不像在平板内传播那么容易。 反而在几格之内就几乎消耗殆尽。 这对于飞机发动机有很大的帮助。

△周期结构中振动能量的衰减△

不过，这种结构并不是什么新鲜事，而是很早就在建筑领域得到了广泛应用——因为建筑物也需要防止行人行走带来的振动传递问题。 而且，在建筑领域，这种周期性结构有自己的名字。 它不叫“鱼鳞”，而是“华夫饼结构”。 之所以选择这个名字，是因为它的结构非常像华夫饼。

△建筑内方形华夫格结构△

△建筑内的三角华夫格结构△

△真的和华夫饼一样△

当然，飞机发动机和建筑物上的华夫格结构的设计是非常讲究的。 格子的形状是什么，应该有多深，应该有多大等等钢结构鱼鳞板，这些设计被称为“隔振设计”。 是结构设计中一个非常重要和难点的方向。

综上所述

这款航空发动机机匣上独特的周期结构不仅是为了减轻重量、增加刚度，更重要的作用是限制振动在发动机内部的传播，实现隔振。 因此，这种看似简单单调的结构实际上蕴含着非常深刻的设计原理，而且由于这种独特的华夫格结构几乎对航空发动机有利，所以它的出现越来越多。 在先进的航空航天发动机中。