某型油箱疲勞壽命估算

張里偉，黃曉霞，胡益富，熊 盼

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

飛機(jī)油箱在飛行過(guò)程中處于非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)環(huán)境中，除了受到機(jī)體傳遞到油箱結(jié)構(gòu)上的振動(dòng)載荷外，飛機(jī)執(zhí)行大過(guò)載機(jī)動(dòng)、著陸、起降等動(dòng)作時(shí)，油箱結(jié)構(gòu)還會(huì)受到內(nèi)部燃油的沖擊載荷作用。這種復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境給油箱結(jié)構(gòu)的安全帶來(lái)了不利影響。通常，可以通過(guò)試驗(yàn)技術(shù)和仿真分析技術(shù)對(duì)油箱結(jié)構(gòu)在復(fù)雜力學(xué)環(huán)境下的安全可靠性進(jìn)行評(píng)估。然而試驗(yàn)不僅耗費(fèi)巨大，而且在試驗(yàn)過(guò)程中伴隨著巨大的風(fēng)險(xiǎn)，因此有必要對(duì)油箱振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，并估算其使用壽命。

某型號(hào)油箱在振動(dòng)臺(tái)井字形支架上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行到19小時(shí)左右時(shí)，油箱橫向隔板開(kāi)孔處發(fā)生破壞。而油箱在該工況下的設(shè)計(jì)使用壽命為30小時(shí)。本文利用MSC/Patran軟件建立某型油箱試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，采用名義應(yīng)力法和線(xiàn)性累積損傷理論估算油箱危險(xiǎn)部位的疲勞壽命，為后續(xù)設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供參考。

1 油箱動(dòng)力學(xué)模型建立

1.1 油箱網(wǎng)格劃分

試驗(yàn)油箱主要由外蒙皮及內(nèi)部橫、豎隔板組成，隔板上開(kāi)有通油孔，油箱整體為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。油箱總?cè)萘繛?0升，試驗(yàn)時(shí)油箱中充有三分之二的水。油箱外蒙皮典型厚度為1.0mm和1.2mm，材料為L(zhǎng)F2，LF2材料彈性模量為71000MPa，泊松比為0.33，密度為2680kg/m3；油箱內(nèi)部隔板典型厚度為0.8mm和1.0mm，材料為L(zhǎng)F21，LF21材料彈性模量為71000MPa，泊松比為 0.33，密度為 2730kg/m3。

根據(jù)油箱結(jié)構(gòu)承力方式建立油箱整體有限元模型，油箱內(nèi)部隔板有限元模型如圖2所示。

1.2 油箱液體的處理

現(xiàn)階段包含流體的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題常采用的方法有：虛擬質(zhì)量法、附加質(zhì)量法以及流固耦合法等。結(jié)合現(xiàn)有軟件、計(jì)算規(guī)模和實(shí)施難度，本文采用只考慮流體質(zhì)量影響的附加質(zhì)量法進(jìn)行分析。

圖1 油箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 油箱有限元模型

試驗(yàn)時(shí)油箱中充有三分之二的水，經(jīng)容積計(jì)算得水深度約為267mm。即在有限元模型中共淹沒(méi)7432個(gè)節(jié)點(diǎn)，在這些節(jié)點(diǎn)處創(chuàng)建質(zhì)量單元，每個(gè)單元質(zhì)量為0.00359kg，如圖3所示。

圖3 附加質(zhì)量法新增質(zhì)量單元示意圖

1.3 油箱載荷及約束

試驗(yàn)時(shí)油箱放置于振動(dòng)臺(tái)的井字形支架上，再通過(guò)兩根尼龍帶進(jìn)行固定。底部施加幅值為0.3mm，頻率為35Hz的正弦激勵(lì)。固定有限元模型中綁帶處約束X、Y、Z三個(gè)方向位移，在底部井字形支架處施加與試驗(yàn)相同的正弦激勵(lì)。

2 油箱動(dòng)力學(xué)分析

本文利用Nastran軟件計(jì)算油箱模型在正弦激勵(lì)下的瞬態(tài)響應(yīng)，考慮到計(jì)算規(guī)模，僅計(jì)算0.2s，取結(jié)構(gòu)阻尼0.2。經(jīng)計(jì)算，可得到油箱隔板各典型位置處隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)變及應(yīng)力；典型位置根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行選取，其在有限元模型中的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)如圖4、圖5所示，應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)結(jié)果如圖6～圖9所示，從曲線(xiàn)可知應(yīng)力穩(wěn)定后為周期變化。

圖4 油箱橫向隔板典型位置節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)

圖5 油箱縱向隔板典型位置節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)

圖6 Node 3372復(fù)合應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)

圖7 Node 2517復(fù)合應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)

圖8 Node 10194應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)

圖9 Node 11217應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)

由圖6～圖9可知，節(jié)點(diǎn)3372和節(jié)點(diǎn)11217應(yīng)力水平較高，選取這兩處位置進(jìn)行壽命估算分析。節(jié)點(diǎn)3372處最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力如圖10、圖11所示；節(jié)點(diǎn)11217處最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力如圖12、圖13所示。

圖10 Node 3372最大主應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)

圖11 Node 3372最小主應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)

圖12 Node 11217最大主應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)

圖13 Node 11217最小主應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)

3 危險(xiǎn)點(diǎn)壽命估算

由圖10～圖13及有限元模型可知，典型位置處節(jié)點(diǎn)3372和節(jié)點(diǎn)11217應(yīng)力水平見(jiàn)表1。

表1 危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力水平

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，采用名義應(yīng)力法和線(xiàn)性累積損傷理論估算危險(xiǎn)點(diǎn)的壽命。由于試驗(yàn)載荷為幅值0.3mm，頻率35Hz的正弦激勵(lì)，故認(rèn)為危險(xiǎn)點(diǎn)處載荷譜為等幅譜，且1s作為一塊，級(jí)數(shù)為1，共35個(gè)頻次。由于缺乏LF21的S-N曲線(xiàn)數(shù)據(jù)，本文采用LY12替代。估算疲勞壽命時(shí)考慮分散系數(shù)為4，經(jīng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)3372共357142塊，則壽命為89286s,即24.8小時(shí)；節(jié)點(diǎn)11217共357142塊，則壽命為89286s,即24.8小時(shí)。

壽命估算說(shuō)明油箱設(shè)計(jì)無(wú)法滿(mǎn)足30小時(shí)壽命的設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)進(jìn)行到19小時(shí)，在節(jié)點(diǎn)3372附近發(fā)生破壞，與估算值相近。

4 結(jié)論

以附加質(zhì)量法為基礎(chǔ)，針對(duì)含三分之二容積水的油箱建立動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行了瞬態(tài)分析和壽命估算，暴露了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)危險(xiǎn)部位，對(duì)試驗(yàn)的驗(yàn)證及設(shè)計(jì)的改進(jìn)具有指導(dǎo)意義。