某航空燃油導(dǎo)管法蘭盤緊固參數(shù)優(yōu)化研究

朱萌 許絕舞 劉峰 劉玉柱

摘要：某型飛機(jī)右輪艙34～36框內(nèi)地面燃油放油管裝配過(guò)程中，導(dǎo)管連接法蘭盤在螺栓固定處易出現(xiàn)裂紋故障，該導(dǎo)管裝配工藝中未明確具體的緊固件擰緊力矩最大值以及在受不平衡緊固載荷情況下的影響。本文針對(duì)上述情況，開(kāi)展了該燃油導(dǎo)管法蘭盤緊固參數(shù)優(yōu)化研究，采用Ansys Workbench軟件對(duì)平衡載荷和不平衡載荷下的燃油管法蘭盤進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。仿真結(jié)果顯示，在平衡載荷下，燃油管法蘭盤最大擰緊力矩應(yīng)控制在2.5N·M的范圍內(nèi)；在不平衡載荷下，當(dāng)一字槽螺釘擰緊力矩大于等于3N·M時(shí)，燃油管和放油開(kāi)關(guān)均有斷裂的可能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)對(duì)11個(gè)緊固螺栓分別施加2.5N·M的擰緊力矩使一字槽螺釘擰緊力矩大于等于4N·M時(shí)，一字槽螺釘孔邊緣處材料出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，從而驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。

關(guān)鍵詞：Ansys Workbench；靜力學(xué)；擰緊力矩；裂紋；法蘭盤

Keywords：Ansys Workbench；statics；tightening torque；crack；flange

0 引言

飛機(jī)燃油系統(tǒng)貯存飛機(jī)所需燃油，保證飛機(jī)在所有工作狀態(tài)下連續(xù)、有效地向發(fā)動(dòng)機(jī)供給燃油，還為空調(diào)系統(tǒng)的工作介質(zhì)、發(fā)電滑油機(jī)冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和雷達(dá)冷卻系統(tǒng)提供散熱功能。飛機(jī)燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜，裝配質(zhì)量的好壞直接影響飛行安全[1]。導(dǎo)管是發(fā)動(dòng)機(jī)輸送油類/空氣等介質(zhì)的重要途經(jīng)，任一導(dǎo)管出現(xiàn)斷裂故障都會(huì)造成嚴(yán)重事故，甚至導(dǎo)致機(jī)毀人亡[2]。

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)在廠內(nèi)進(jìn)行檢驗(yàn)試車時(shí)，發(fā)現(xiàn)順航向2點(diǎn)鐘方向加力簡(jiǎn)體隔熱屏、加力簡(jiǎn)體外壁、收擴(kuò)噴口外彈性片燒蝕，軸向長(zhǎng)度約為0.4m，原因?yàn)槿加涂偣?號(hào)分管頭部斷裂[2]。某型發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)發(fā)生兩起空中燃油泄漏故障，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車，嚴(yán)重影響飛行安全，故障原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)主輸油圈連接12#噴嘴的U型導(dǎo)管在靠近工作噴嘴接頭處斷裂[3]。某型飛機(jī)外場(chǎng)使用過(guò)程中發(fā)生多起“燃油不增壓”故障，故障直接原因?yàn)閭鬏攧?dòng)力燃油的導(dǎo)管外場(chǎng)使用中出現(xiàn)裂紋[4]。

某型飛機(jī)右輪艙34～36框內(nèi)地面燃油放油管裝配過(guò)程中，導(dǎo)管連接法蘭盤在螺栓固定處易出現(xiàn)裂紋故障。該導(dǎo)管現(xiàn)有裝配工藝方法雖然明確了導(dǎo)管連接法蘭盤緊固件在裝配時(shí)需要交叉均勻地?cái)Q緊，但是未明確具體的擰緊力矩最大值以及受不平衡緊固載荷的影響，因此該導(dǎo)管在連接法蘭盤時(shí)容易因裝配失誤而損壞。本文針對(duì)上述現(xiàn)狀，開(kāi)展該燃油導(dǎo)管法蘭盤緊固參數(shù)優(yōu)化研究，明確了具體的擰緊力矩最大值以及導(dǎo)管法蘭盤受不平衡緊固載荷的影響。

1 導(dǎo)管安裝結(jié)構(gòu)及功能

1.1 導(dǎo)管的安裝結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該燃油導(dǎo)管的圓形法蘭盤上方均勻分布固定有12個(gè)密封螺帽，燃油導(dǎo)管與放油開(kāi)關(guān)之間設(shè)有一個(gè)圓形密封膠圈，燃油導(dǎo)管、密封膠圈及放油開(kāi)關(guān)通過(guò)緊固螺栓（11個(gè)）和一字槽螺釘（1個(gè)）固定在一起，燃油導(dǎo)管和放油開(kāi)關(guān)整體通過(guò)緊固螺栓連接在機(jī)體固定支架上。裝配完成后，燃油導(dǎo)管的法蘭盤通過(guò)底部一圈螺栓以及一字槽螺釘與螺帽螺紋連接時(shí)向下的預(yù)緊力將燃油導(dǎo)管與放油開(kāi)關(guān)牢靠固定。其中，燃油管的材料為ZL101，放油開(kāi)關(guān)的材料為2D70，密封膠圈的材料為2-5019丁腈橡膠，墊片的材料為L(zhǎng)Y12-CZ，密封螺帽的材料為45號(hào)鋼，緊固螺栓和一字槽螺釘?shù)牟牧蠟?0CrMnSiA。

1.2 導(dǎo)管在飛機(jī)上的功能

該燃油管與發(fā)動(dòng)機(jī)供油導(dǎo)管直接連通，地面進(jìn)行飛機(jī)耗油模擬試驗(yàn)時(shí)，燃油管通過(guò)底部放油開(kāi)關(guān)與地面泵源的吸油軟管連接，實(shí)現(xiàn)地面壓力加油。發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車狀態(tài)下，燃油管通過(guò)底部放油開(kāi)關(guān)內(nèi)的單向活門阻止飛機(jī)燃油系統(tǒng)內(nèi)燃油泄漏。

2 導(dǎo)管法蘭盤緊固參數(shù)仿真分析及優(yōu)化

2.1 建立仿真模型

由于該燃油管連接時(shí)主要受力部位在法蘭盤處，燃油管和放油開(kāi)關(guān)法蘭盤之外的材料對(duì)法蘭盤處受力情況影響可以忽略不計(jì)，因此可將燃油管和放油開(kāi)關(guān)除法蘭盤之外的材料去除，以提高仿真計(jì)算效率。另外，由于緊固螺栓或一字槽螺釘與密封螺帽連接時(shí)，緊固螺栓或一字槽螺釘轉(zhuǎn)動(dòng)擰緊力矩可轉(zhuǎn)化為緊固螺栓或一字槽螺釘?shù)念A(yù)緊力，因此可將密封螺帽、緊固螺栓、一字槽螺釘模型省略，仿真計(jì)算時(shí)只需在法蘭盤受力作用面上施加預(yù)緊力外載荷即可?；谏鲜鲈瓌t，建立了燃油管安裝靜力學(xué)仿真模型，如圖2所示。

2.2緊固參數(shù)仿真分析及優(yōu)化

2.2.1 仿真分析的外載荷計(jì)算

該燃油管為ZL101鑄造鋁合金材料，合金狀態(tài)為固溶處理加自然時(shí)效，鑄造方法為金屬型鑄造、變質(zhì)處理。密封螺帽的材料為45號(hào)鋼，尺寸為M5，表面鍍鋅，鉻酸鈍化處理。緊固螺栓和一字槽螺釘?shù)牟牧蠟?0CrMnSiA，尺寸為M5。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取擰緊力矩系數(shù)K為0.22，計(jì)算當(dāng)緊固螺栓及一字槽螺釘擰緊力矩為1N·M、1.5N·M、2N·M、2.5N·M、3N·M、3.5N·M、4N·M、4.5N·M時(shí)的螺栓預(yù)緊力，如表1所示。

2.2.2 平衡載荷下的靜力學(xué)仿真分析

假設(shè)各連接點(diǎn)處的擰緊力矩值相等，即法蘭盤承受平衡載荷，根據(jù)表1所示擰緊力矩及預(yù)緊力換算關(guān)系，在擰緊力矩為1N·M、1.5N·M、2N·M、2.5N·M、3N·M、3.5N·M、4N·M、4.5N·M時(shí)對(duì)燃油管及放油開(kāi)關(guān)的法蘭盤連接處進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。根據(jù)仿真實(shí)際情況，由于放油開(kāi)關(guān)的法蘭盤底端平面和燃油管的法蘭盤底端平面的最大應(yīng)力高于法蘭盤頂端平面的最大應(yīng)力值，因此選取放油開(kāi)關(guān)的法蘭盤底端平面和燃油管的法蘭盤底端平面作為觀察平面，如圖4所示，設(shè)放油開(kāi)關(guān)的法蘭盤底端平面為平面A，燃油管的法蘭盤底端平面為平面B。

放油開(kāi)關(guān)的法蘭盤底端平面（平面A）及燃油管的法蘭盤底端平面（平面B）上的應(yīng)力云圖如圖5所示。

查閱資料發(fā)現(xiàn)，燃油管的ZL101鑄造鋁合金材料的抗壓疲勞極限為104MPa；放油開(kāi)關(guān)的2D70材料的抗壓疲勞極限為144MPa。根據(jù)圖5所示靜力學(xué)仿真結(jié)果可以看出，隨著擰緊力矩的增加，平面A和平面B上的應(yīng)力值呈遞增趨勢(shì)。擰緊力矩為2.5N·M時(shí)的靜力學(xué)仿真結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在擰緊力矩為2.5N·M時(shí)，放油開(kāi)關(guān)和燃油管的法蘭盤上應(yīng)力值均即將達(dá)到抗壓疲勞極限值，此時(shí)放油開(kāi)關(guān)的法蘭盤底端面（平面A）上的最大應(yīng)力值約為142MPa，主要分布在墊片與放油開(kāi)關(guān)的結(jié)合面上，其中在一字槽螺栓連接處的應(yīng)力分布更接近螺釘孔邊緣，即在該處更容易產(chǎn)生裂紋。在2.5N·M的擰緊力矩下，燃油管的法蘭盤底端面（平面B）上的最大應(yīng)力值約為100N·M，主要分布在螺釘孔邊緣位置。因此，在平衡載荷狀態(tài)下，該燃油管安裝時(shí)最大擰緊力矩應(yīng)控制在2.5N·M范圍內(nèi)。

2.2.3 不平衡載荷下的靜力學(xué)仿真分析

該燃油管安裝時(shí)一字槽螺釘為單獨(dú)安裝，且由上述仿真分析結(jié)果可以看出，在該螺釘安裝孔處應(yīng)力分布更接近安裝孔的邊緣，因此在同樣的擰緊力矩下相較于其他螺栓孔更容易產(chǎn)生裂紋。為了進(jìn)一步研究，在其他螺栓擰緊力矩均為最大值2.5N·M時(shí)，增加一字槽螺釘擰緊力矩，觀察燃油管及放油開(kāi)關(guān)的法蘭盤連接受力情況。在此狀態(tài)下對(duì)一字槽螺釘施加3N·M、3.5N·M、4N·M、4.5N·M的擰緊力矩，對(duì)燃油管及放油開(kāi)關(guān)的法蘭盤連接處進(jìn)行不平衡載荷下靜力學(xué)仿真分析，仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6所示仿真分析結(jié)果可以看出，隨著一字槽螺釘擰緊力矩的逐漸增加，燃油管和放油開(kāi)關(guān)在一字槽螺釘孔邊緣處的最大應(yīng)力值逐漸增加，而其他螺栓孔邊緣處的最大應(yīng)力值幾乎無(wú)變化。當(dāng)一字槽螺釘擰緊力矩為3N·M和3.5N·M時(shí)，平面A和平面B上的一字槽螺釘孔邊緣處最大應(yīng)力值較圖6d）所示的2.5N·M均衡載荷情況下的一字槽螺釘孔邊緣處最大應(yīng)力值無(wú)明顯增加。當(dāng)一字槽螺釘擰緊力矩為4N·M和4.5N·M時(shí)，平面A和平面B上的一字槽螺釘孔邊緣處最大應(yīng)力值有明顯增加：一字槽螺釘擰緊力矩為4N·M時(shí)，平面A和平面B上的一字槽螺釘孔邊緣處最大應(yīng)力值均達(dá)到了約159MPa；一字槽螺釘擰緊力矩為4.5N·M時(shí)，平面A和平面B上的一字槽螺釘孔邊緣處最大應(yīng)力值均達(dá)到了約171MPa，具體如表3所示。

由表2和表3可以看出，當(dāng)對(duì)其他緊固螺栓施加2.5N·M的擰緊力矩而對(duì)一字槽螺釘施加3N·M、3.5N·M、4N·M、4.5N·M的擰緊力矩的不平衡載荷固定的情況下，平面B上的最大應(yīng)力值先于平面A超過(guò)材料的抗壓疲勞極限。不平衡載荷下最大應(yīng)力值變化曲線如圖7所示。

根據(jù)圖7，隨著一字槽螺釘擰緊力矩的增加，平面B上的最大應(yīng)力值增加較為平緩，而平面A上的最大應(yīng)力值呈現(xiàn)階梯式增加趨勢(shì)，在3N·M和4N·M時(shí)增加較為劇烈，此時(shí)材料已出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，在不平衡載荷下燃油管更容易出現(xiàn)材料失效現(xiàn)象。在一字槽螺釘擰緊力矩為3N·M時(shí)，燃油管法蘭盤底端面的最大應(yīng)力值已超過(guò)抗壓疲勞極限104MPa，放油開(kāi)關(guān)底端面的最大應(yīng)力值已接近抗壓疲勞極限144MPa，因此，在一字槽螺釘擰緊力矩大于等于3N·M時(shí)，燃油管和放油開(kāi)關(guān)均有斷裂的可能。

綜上得出如下結(jié)論：

1）在平衡載荷下，燃油管法蘭盤最大擰緊力矩應(yīng)控制在2.5N·M的范圍內(nèi)；

2）在不平衡載荷下，燃油管較放油開(kāi)關(guān)先達(dá)到材料的抗壓疲勞極限，更容易出現(xiàn)材料失效；

3）在不平衡載荷下，當(dāng)一字槽螺釘擰緊力矩大于等于3N·M時(shí)，燃油管和放油開(kāi)關(guān)均有斷裂的可能。

3 實(shí)驗(yàn)與討論

為了驗(yàn)證上述仿真結(jié)果的有效性，依次對(duì)燃油管和放油開(kāi)關(guān)的法蘭盤連接處施加不同狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)載荷，如表4所示。

如表4所示，在對(duì)法蘭盤連接處的11個(gè)緊固螺栓分別施加恒定的2.5N·M的擰緊力矩情況下，依次對(duì)一字槽螺釘施加2.5N·M、3N·M、3.5N·M、4N·M、4.5N·M的擰緊力矩，觀察燃油管和放油開(kāi)關(guān)法蘭盤材料狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)一字槽螺釘擰緊力矩增加至4N·M時(shí)，在燃油管法蘭盤底端面的一字槽螺釘孔邊緣已出現(xiàn)了裂紋，如圖8所示。

為了觀察裂紋斷面的形貌，對(duì)裂紋處材料進(jìn)行切割，將斷面位置放入體視顯微鏡進(jìn)行觀察，如圖9所示，可見(jiàn)整個(gè)斷面呈現(xiàn)晶體顆粒特征，未見(jiàn)明顯腐蝕及異常磨損痕跡。

將與螺釘孔接觸的斷面?zhèn)让嬷糜趻呙桦娮语@微鏡下進(jìn)行觀察，如圖10所示，可見(jiàn)側(cè)面螺牙部分?jǐn)嗔选?/p>

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，當(dāng)對(duì)11個(gè)緊固螺栓分別施加2.5N·M的擰緊力矩、一字槽螺釘擰緊力矩大于等于4N·M時(shí)，一字槽螺釘孔邊緣處材料出現(xiàn)了裂紋現(xiàn)象；對(duì)應(yīng)上述仿真結(jié)果，當(dāng)一字槽螺釘擰緊力矩增加至4N·M時(shí)，燃油管法蘭盤最大應(yīng)力值劇烈增加，此時(shí)材料在裂紋處應(yīng)力集中較為明顯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，從而驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)某型飛機(jī)右輪艙34～36框內(nèi)地面燃油放油管裝配過(guò)程中導(dǎo)管連接法蘭盤在螺栓固定處易出現(xiàn)裂紋故障的問(wèn)題，開(kāi)展了該燃油導(dǎo)管法蘭盤緊固參數(shù)優(yōu)化研究，結(jié)論如下：

1）平衡載荷下的靜力學(xué)仿真分析：在平衡載荷狀態(tài)下，該燃油管安裝時(shí)，最大擰緊力矩應(yīng)控制在2.5N·M范圍之內(nèi)；

2）不平衡載荷下的靜力學(xué)仿真分析：在不平衡載荷下，燃油管較放油開(kāi)關(guān)先達(dá)到材料的抗壓疲勞極限，更容易出現(xiàn)材料失效；在不平衡載荷下，當(dāng)一字槽螺釘擰緊力矩大于等于3N·M時(shí)，燃油管和放油開(kāi)關(guān)均有斷裂的可能；

3）實(shí)驗(yàn)與討論：當(dāng)對(duì)11個(gè)緊固螺栓分別施加2.5N·M的擰緊力矩、一字槽螺釘擰緊力矩大于等于4N·M時(shí)，一字槽螺釘孔邊緣處材料出現(xiàn)了裂紋現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，從而驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。

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