超高壓吹氣噴嘴有限元仿真分析

彭建華 劉 波 信義兵 馮 帆 譚 慶

（1.湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湘潭 411207；2.武漢高德紅外股份有限公司，武漢 430070）

1 吹氣噴嘴設(shè)計(jì)分析

如圖1所示，吹氣噴嘴整體呈圓柱形，尾端通過梯形左旋螺紋與身管連接，螺紋升角小于3.5°。

圖1 吹氣噴嘴結(jié)構(gòu)簡圖

吹氣噴嘴前端為錐形凹坑結(jié)構(gòu)。吹氣噴嘴中部為鼓形內(nèi)腔，呈現(xiàn)中間直徑大、兩端直徑小的構(gòu)型[1]。高壓氣體進(jìn)入該腔室后膨脹，在撞擊到錐形凹坑背面時(shí)給吹氣噴嘴一個沿身管軸線方向指向前端的推力，達(dá)到減小沖擊力的目的。另外，鼓形膨脹腔的外側(cè)切了8條斜槽，作用是高壓氣體作用在斜槽端面時(shí)會給吹氣噴嘴施加一個沿X軸的扭矩[2]。該力矩方向與將吹氣噴嘴擰緊在身管上的旋向相同，確保在工作過程中吹氣噴嘴與身管的可靠連接。從工藝角度分析，利用常規(guī)的車削、銑削、鏜孔以及線切割等加工方式即可完成該裝置的加工，無復(fù)雜結(jié)構(gòu)，工藝性較好[3]。

2 有限元仿真分析

根據(jù)吹氣噴嘴的特點(diǎn)建立有限元仿真模型，選取切削性能較好的45CrNiMoVA材料作為吹氣噴嘴的材 料，45CrNiMoVA材 料 密度 為7.83×103kg·m-3，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。網(wǎng)格采用C3D8四面體單元，螺紋處添加固定約束，鼓形內(nèi)腔和錐坑施加10 MPa壓強(qiáng)。仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。環(huán)切斜槽根部為最大應(yīng)力區(qū)域，最大全等效應(yīng)力為600 MPa，在材料的彈性變形范圍內(nèi)。需要指出的是，斜槽根部的高應(yīng)力主要是由于結(jié)構(gòu)連接處無平滑過渡引起的應(yīng)力集中，在生產(chǎn)實(shí)踐中對這些區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡菇呛偷箞A角能避免該現(xiàn)象的發(fā)生[4-7]。

3 壽命預(yù)測

吹氣噴嘴屬于泄壓裝置的關(guān)鍵零部件，在反復(fù)的使用過程中承受著較大的載荷和劇烈的沖擊振動，會出現(xiàn)疲勞斷裂破壞[8-12]。為確保工作過程中的安全性，需要在強(qiáng)度校核的基礎(chǔ)上評估吹氣噴嘴的使用壽命[13-15]。采用S-N方法對吹氣噴嘴相應(yīng)位置施加循環(huán)載荷，安全系數(shù)選取為3。結(jié)果表明，失效區(qū)域最先出現(xiàn)在環(huán)切斜槽根部，吹氣噴嘴最低壽命為25萬次，滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

圖2 應(yīng)力云圖

圖3 應(yīng)變云圖

圖4 吹氣噴嘴使用壽命仿真框圖

4 結(jié)語

在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種兼具減小沖擊力、消旋功能的吹氣噴嘴，結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好。仿真分析表明，結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度滿足高膛壓使用環(huán)境下的剛度和強(qiáng)度，裝置壽命預(yù)計(jì)為25萬次，滿足設(shè)計(jì)要求。提出的吹氣噴嘴具備進(jìn)一步實(shí)施工程實(shí)踐的理論基礎(chǔ)。