预载条件下某型航空发动机导管动力学特性研究.pdf
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1、中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期:2024 年 01 月 24 日 作者简介:魏清(1971),男,汉族,硕士,高级工程师,国营锦江机器厂,航空维修。-13-预载条件下某型航空发动机导管动力学特性研究 魏 清 何江浩 马文杰 周 俊 邓 江 国营锦江机器厂,四川 成都 610051 摘要:摘要:工作状态下,航空发动机外部导管装配应力区域疲劳裂纹故障时有发生。不考虑导管自身制造缺陷及突发恶劣工况,控制装配阶段装配偏差,规避系统共振十分重要。基于有限元仿真分析手段,本文视装配应力为导管预载条件,讨论了壳单元在导管装配应力计算中的应用方法;利用控制变量法及仿真样本设计,进一步研究分析了不同预载
2、条件对导管动力学特性的影响,结果表明预载作用将改变导管自身振动特性,在不同振动方向上引起导管结构动刚度强化或削弱。关键词:关键词:有限元;模态分析;装配偏差;导管;航空发动机 中图分类号:中图分类号:V263 0 引言 航空发动被誉为工业桂冠上最闪亮的珍珠,而管路系统是航空发动机的血管,将滑油、燃油及空气等流体介质运送到航空发动机的各个部件单元体中,发挥润滑、降温、供燃的功用,在航空发动机复杂系统体系中起着不可替代的连接和运输作用。工作状态下,航空发动机外部导管面临系统振动、外部碰伤、高低温交替等恶劣工况环境。这导致航空发动机外部导管极易发生裂纹故障,从而制约着航空发动机的正常使用1。目前,通
3、过无损检测、优化设计、材料更替等多种技术手段,技术人员可以在导管设计出厂或在役维护阶段,排除导管自身设计制造导致的裂纹故障潜在诱因。但在导管装配环节,由于航空发动机系统各单元体装配累计偏差,导管往往难以按原始空间位置(或理论设计空间位置)装配,导管装配应力无法避免,这将成为导管裂纹故障的潜在诱因2。针对装配应力导致的导管裂纹故障,研究者已从应力状态、结构损伤演变预测、疲劳寿命计算等方向,研究了装配应力作用及其影响的客观规律3-4,从而为导管带装配应力下的裂纹故障风险区域预测、寿命维护控制提供了技术参考。在导管带应力裂纹故障机理研究中,结合理化分析,研究者发现:导管裂纹起始于导管表面装配应力集中
4、区域;疲劳源区属于线源;裂纹扩展区呈现细密条带,具有高周疲劳特征5。这表明航空发动机系统振动激励对导管装配的耦合影响是导致航空发动机外部导管装配应力区域裂纹产生的主要诱因。因而,研究装配应力条件下导管振动特性,规避导管-系统(航空发动机系统)共振具有重要意义。对此,本文将导管装配应力视作导管结构的预载条件,基于有限元理论,利用 CAE 分析软件,对比分析研究了预载条件对导管振动特性的影响,并定量计算研究了不同预载条件下导管振动特性变化规律,结合航空发动机系统振动特性,为该导管在役维护环节的装配工作提供技术参考,具有一定工程的工程价值。1 导管振动特性仿真计算 1.1 有限元仿真方法 基于有限元
5、理论的仿真过程,实质是构建组件各体的离散模型,并通过相互作用设置、运动关系设置、边界条件设置,求解组件的运动及变形结果。这一过程包括:几何模型构建、模型离散化、接触及运动控制设置、边界及载荷设置、求解设置。目前,随着计算机计算的快速发展,有限元理论已被广泛应用于商业软件中,如 Optistruct、ANSYS、Abaqus、Nastran 等。其中,Optistruct 配套的预处理模块 Hypermesh 具有较强的几何前处理及网格编辑能力,能够快速完成地完成导管有限元模型构建,可以为本文的研究工作提供合理、科学的导管有离散化计算模型;Abaqus 在非线性问题的计算上的强大优势,可以为本文
6、涉及的导管材料非线性问题提供足够精度的理论近似解。1.2 几何及离散网格模型 对研究的航空发动机外部导管测绘造型尺寸,如中国科技期刊数据库 工业 A-14-管径、管壁厚度、管路长度、管路转角等。按导管造型尺寸,在三维建模软件 Catia 中,通过扫掠、旋转、布尔运算等多种特征造型命令完成导管三维模型构建如图 1 所示。图 1 Catia 中导管三维模型 利用 Hypermesh 前处理模块对导管三维模型进行离散化模型构建,采用实体网格离散化导管物理几何区域,网格类型为 C3D8R。C3D8R 为缩减积分单元,与完全积分单元相比,缩减分单元在每个积分方向上少一个节点,且在不易发生剪切自锁,具有较
7、好的网格变形计算适应性,可以保证求解结果的变形精度,并进一步提高计算效率。由于研究导管模型为薄壁件,对此,应保证导管管壁厚度方向上,离散网格节点布种应不少于 2,导管实体单元离散网格模型如图 2 所示。图 2 导管实体离散网格模型 由于本文拟研究不同预载情况下导管,为保证计算计算精度并减小计算结果,本文拟采用壳单元替代实体单元完成导管物理几何模型离散化,对此,应首先对导管三维模型进行参考面提取,并偏置参考面为管路壁厚中面;设置网格单元类型为,按实体离散单元尺寸布种壳单元节点,获得导管壳单元离散网格模型如图 3 所示。图 3 导管壳体离散网格模型 导管实体离散网格模型及壳单元离散网格模型网格尺寸
8、及数量如表所示。由表中数据可知,在相同网格尺寸控制的情况下,与导管实体单元离散网格模型相比,导管壳单元离散网格单元模型网格数量更少,减小了计算规模,极大地节约了计算资源。1.3 材料本构模型 导管结构的材料模型由自身材料、几何结构特征及外部环境共同影响决定。对此,在室温环境下,选用与研究导管几何特征一致的管路段作为研究试件,试件外径为 8mm,壁厚为 1mm。试验在万能拉伸试验机上进行,导管试件两端添加圆柱体塞头,加持侧施加恒定位移约束,并提取载荷-位移数据。对载荷-位移数据进行处理,拟合获得导管真实应力应变 曲线如图 4 所示。图 4 1Gr18Ni9Ti 真实应力-应变图 本文研究仿真计算
9、时可能涉及导管的塑性变形,对此,按图 4 所获得的真实应力应变关系构建导管弹塑性材料本构模型。其中,导管弹性本构模型由导管材料的弹性模量及泊松比决定;导管塑性本构由塑性应力应变曲线决定,导管塑性应变按公式(1)计算求得。palstic=true elasitc(1)式中,palstic表示塑性应变;true表示真实应变;elasitc表示弹性应变。1.4 边界及求解设置 导管的装配应力是由导管喇叭口轴向或周向几何位置偏差导致的,基于上述导管装配过程的运动学分析,导管一端为固定约束边界,导管另一端为强制位移边界,即本文所假设的预载条件。在Abaqus软件中,用户不能直接对实体或壳体离散区域网格施
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