基于工作應(yīng)力仿真分析的某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃－滑油熱交換器安裝改進(jìn)思路

楊坤玉，蔡海鵬，羅成，潘存云

（1．長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410124;

2．國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410073）

基于工作應(yīng)力仿真分析的某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃－滑油熱交換器安裝改進(jìn)思路

楊坤玉1，蔡海鵬1，羅成2，潘存云2

（1．長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410124;

2．國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410073）

為找到航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃－滑油熱交換器焊縫裂紋產(chǎn)生的主要原因，對(duì)燃－滑油熱交換器進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)工作應(yīng)力仿真分析，提出一種新的安裝思路，并對(duì)在新的安裝方式燃－滑油熱交換器進(jìn)行了整體和失效部位的工作應(yīng)力仿真分析。結(jié)果表明，新安裝方式可以有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)熱交換器的工作應(yīng)力分布和降低峰值，為降低熱交換器工作應(yīng)力和預(yù)防焊縫裂紋找到了有效的途徑和方法。

航空發(fā)動(dòng)機(jī);燃－滑油熱交換器;安裝方式;動(dòng)力學(xué)仿真;工作應(yīng)力

燃－滑油熱交換器是某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件系統(tǒng)的核心部件，主要功用是交換燃油和滑油的熱量。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)在封頭體焊縫同區(qū)域、成批次、季節(jié)性出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致漏油事故。初步分析認(rèn)為，裂紋的產(chǎn)生主要是有促其撕裂的應(yīng)力峰值存在，且應(yīng)力峰值超過(guò)了該部件材料或焊縫的疲勞極限。［1］為深入分析裂紋產(chǎn)生的主要原因，本文利用有限元分析軟件，對(duì)在現(xiàn)有安裝方式下的燃－滑油熱交換器進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，并進(jìn)一步提出一種新的安裝思路，對(duì)這種新安裝方式下的燃－滑油熱交換器進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)工作應(yīng)力和失效部位的應(yīng)力變化曲線仿真分析和比較。

1 燃－滑油熱交換器的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及有限元模型的建立

1．1 燃－滑油熱交換器的外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理

燃－滑油熱交換器的外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由一個(gè)箱體和一個(gè)燃油加壓泵組成，燃油加壓泵以懸臂布置方式焊接于箱體上。熱交換器外部設(shè)有燃油進(jìn)出口、滑油進(jìn)出口和四個(gè)安裝支鉸，內(nèi)部設(shè)有柱狀加強(qiáng)筋和扁平的潤(rùn)滑油導(dǎo)管。燃－滑油熱交換器工作原理是交換滑油和燃油的熱量以實(shí)現(xiàn)冷卻潤(rùn)滑油同時(shí)加熱燃油的目的。

圖1 燃－滑油熱交換器外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1．2 燃－滑油熱交換器有限元模型的建立

利用測(cè)繪和實(shí)物解剖后觀察到的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到的數(shù)據(jù)，我們建立了精確的燃－滑油熱交換器有限元模型。［2］建模結(jié)果如圖2所示，圖2（a）是模型的外觀，圖2（b）是模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖切與局部放大。熱交換器出現(xiàn)裂紋故障的部位如圖2（a）所示。

圖2 燃－滑油散熱器模型外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 燃－滑油熱交換器在現(xiàn)有安裝方式下的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力仿真分析

2．1 燃－滑油熱交換器的現(xiàn)有安裝方式

燃－滑油熱交換器在發(fā)動(dòng)機(jī)上的安裝采用的是“一定三活”方式，即它的四個(gè)安裝支鉸與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣上附件安裝法蘭的四個(gè)安裝孔配合，孔內(nèi)加裝橡膠減振器。其中支鉸4處固定了X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度，支鉸1、2、3均只固定了Y、Z兩個(gè)平動(dòng)自由度。

2．2 燃－滑油熱交換器的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)應(yīng)力變化分析

為深入分析裂紋產(chǎn)生的主要原因，必須對(duì)在現(xiàn)有安裝方式下的燃－滑油熱交換器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。［3－5］因此，分別從熱交換器整體和失效部位兩方面來(lái)研究。

首先，利用美國(guó)HKS公司開發(fā)的ABAQUS有限元分析軟件，在精確建立的有限元模型基礎(chǔ)上，對(duì)熱交換器在頻率為50Hz、100Hz、200Hz、285Hz的振動(dòng)下進(jìn)行了整體穩(wěn)態(tài)工作應(yīng)力分析，結(jié)果如圖3所示。分析結(jié)果表明，在50Hz、100Hz、200Hz、285Hz時(shí)有限元分析結(jié)果的高應(yīng)力區(qū)和燃－滑油熱交換器發(fā)生裂紋失效的部位完全吻合，應(yīng)力值的大小隨著激勵(lì)頻率的升高而變大，說(shuō)明要解決燃－滑油熱交換器成批量、同部位出現(xiàn)裂紋故障的問(wèn)題，需要從改變此處的應(yīng)力分布及峰值大小入手。

裂紋故障區(qū)與高應(yīng)力區(qū)吻合，說(shuō)明裂紋的產(chǎn)生與熱交換器的工作應(yīng)力有直接的聯(lián)系。

圖3 在50Hz、100Hz、200Hz、285Hz時(shí)熱交換器上各點(diǎn)的應(yīng)力分布云圖

為了解不同頻率激勵(lì)下熱交換器發(fā)生破壞的部位的應(yīng)力變化情況，取失效部位及其附近具有代表性的8個(gè)節(jié)點(diǎn)，形成一條有代表性的應(yīng)力變化路徑，如圖4所示。［6］利用有限元分析軟件分析得出8個(gè)節(jié)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的應(yīng)力變化曲線，如圖5所示。為分析8個(gè)節(jié)點(diǎn)各自的應(yīng)力變化情況，我們分析了8個(gè)節(jié)點(diǎn)形成的路徑上的應(yīng)力變化曲線，如圖6所示。

圖4 失效部位及其附近具有代表性的8個(gè)節(jié)點(diǎn)

圖5 失效部位及其附近具有代表性的8個(gè)節(jié)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的應(yīng)力變化曲線

圖6 8個(gè)節(jié)點(diǎn)路徑上的應(yīng)力變化曲線

結(jié)果分析表明：

1）圖5中8個(gè)節(jié)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的應(yīng)力變化曲線表明，在0～350Hz的外部激勵(lì)作用下，隨著激勵(lì)頻率的提高每個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力都有增大趨勢(shì)，而且變大的趨勢(shì)隨著頻率的升高而變得明顯。

2）圖6中8個(gè)節(jié)點(diǎn)形成的路徑上的應(yīng)力變化曲線表明，越靠近支鉸4根部和加壓泵根部應(yīng)力水平越高，說(shuō)明了支鉸4的安裝固定方式和加壓泵懸臂設(shè)置的方式，對(duì)促成高應(yīng)力區(qū)的產(chǎn)生有重要的作用。要改變它們附近應(yīng)力區(qū)的分布和應(yīng)力的水平，可以從改變這兩處的邊界條件入手。改變邊界條件，會(huì)使結(jié)構(gòu)的整體剛度發(fā)生變化，從而對(duì)燃－滑油熱交換器的固有振型和固有頻率產(chǎn)生很大影響，繼而會(huì)改變其工作時(shí)的應(yīng)力分布及峰值大小。［7］

3 一種新安裝思路的提出與仿真分析

從穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析結(jié)果來(lái)看，加壓泵的懸臂設(shè)置使其根部出現(xiàn)高應(yīng)力集中區(qū)，成為引發(fā)裂紋故障的隱患。因此，提出一種新的安裝思路，即在燃油加壓泵上添加一個(gè)安裝支鉸，如圖7所示，使它成為一個(gè)非懸臂結(jié)構(gòu)，從而改善應(yīng)力集中的狀況。

圖7 新安裝思路的三維CAD模型

為對(duì)比現(xiàn)有安裝方式與新的安裝思路對(duì)熱交換器各部分工作應(yīng)力的影響，對(duì)新的安裝方式下熱交換器在50Hz、100Hz、200Hz、285Hz振動(dòng)激勵(lì)下的應(yīng)力，以及在失效部位及其附近具有代表性的8個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力變化情況進(jìn)行了分析。圖8是在50Hz、100Hz、200Hz、285Hz時(shí)燃－滑油熱交換器的應(yīng)力分布云圖，圖9列出了8個(gè)節(jié)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的應(yīng)力變化曲線，圖10是8個(gè)節(jié)點(diǎn)形成的路徑上的應(yīng)力變化曲線。

圖8 新安裝思路下在50Hz、100Hz、200Hz、285Hz時(shí)熱交換器上各點(diǎn)的應(yīng)力分布云圖

圖9 新安裝思路下具有代表性的8個(gè)節(jié)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的應(yīng)力變化曲線

圖10 新安裝思路下8個(gè)節(jié)點(diǎn)形成的路徑上的應(yīng)力變化曲線

結(jié)果分析表明：

1）對(duì)比燃油加壓泵結(jié)構(gòu)改變前后燃－滑油熱交換器模態(tài)分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)的第1階固有頻率從之前的460Hz增大到706Hz，進(jìn)一步遠(yuǎn)離了航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)給予燃－滑油熱交換器的振動(dòng)載荷的頻率（約285Hz），有利于減小振動(dòng)載荷對(duì)燃－滑油熱交換器的影響。

2）比較圖3、5、6和圖8、9、10可見(jiàn)，改變?nèi)迹蜔峤粨Q器安裝方式，使燃－滑油熱交換器的應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生了轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中狀況有明顯改善，具有代表性的8個(gè)節(jié)點(diǎn)及其附近區(qū)域的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)應(yīng)力明顯降低，這對(duì)于減少裂紋故障的出現(xiàn)、延緩裂紋的擴(kuò)展是有利的。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)燃－滑油熱交換器進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)工作應(yīng)力和失效部位的應(yīng)力變化曲線的仿真分析，發(fā)現(xiàn)裂紋故障區(qū)與高應(yīng)力區(qū)吻合。

2）提出了一種新的安裝思路，并在此新安裝方式下對(duì)燃－滑油熱交換器進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)工作應(yīng)力和失效部位的應(yīng)力變化曲線的仿真分析與比較。結(jié)果表明，新的安裝方式可以有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)熱交換器的工作應(yīng)力分布和顯著降低峰值，為從根本上降低熱交換器工作應(yīng)力、預(yù)防焊縫裂紋故障產(chǎn)生指出了方向和途徑，為實(shí)際修理改裝提供了理論依據(jù)。

［1］陳光．航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障分析［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001．

［2］溫熙森，陳循．機(jī)械系統(tǒng)建模與動(dòng)態(tài)分析［M］．北京：科學(xué)出版社，1995．

［3］王尚文．飛行器結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)［M］．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1998．

［4］張文元．ABAQUS動(dòng)力學(xué)有限元分析指南［M］．香港：中國(guó)圖書出版社，2005．

［5］大久保信行．機(jī)械模態(tài)分析［M］．上海：上海交通大學(xué)出版社，1985．

［6］張文志，韓清凱，劉亞忠．機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析［M］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006．

［7］晏礪堂．航空燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)和減振［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1991．

［編校：鄧桂萍］

Im provement Method for a Certain Aero－engine＇s Fuel－lubricating Oil Heat Exchanger and Installation Based on Simulation Analysis of W orking Stress

YANG Kunyu1，CAIHaipeng1，LUO Cheng2，PAN Cunyun2
（1．Changsha Aeronautical Vocational and Technical College，Changsha Hunan 410124;
2．College of Electromechanical Engineering and Automation，National University of Defense Technology，Changsha Hunan 410073）

To find themain cause of fuel－lubricating oil heat exchanger＇sweld cracks on a certain aero－engine，the paper gives a steady simulation analysis of fuel－lubricating oil heat exchanger．Then，a new installation method is presented and the working stress of the entire and disabled parts of the newly fuel－lubricating oil heat exchanger are analyzed．The results show that this new installation method can effectively improve the working stress distribution of the heat exchanger and reduce the peak．Thus，the effectiveways are found for reducing the working stress of the heat exchanger and preventing the weld cracks．

aero－engine;fuel－lubricating oil heat exchanger;installation method;dynamics simulation;working stress

V231．1+6

A

1671－9654（2011）04－030－05

2011－09－26

楊坤玉（1974－），女，湖南永州人，副教授，在讀博士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、航空金屬件焊縫裂紋研究與修復(fù)。