（机械工程专业论文）航空发动机附件裂纹故障原因分析与维修对策研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 某型航空发动机在其使用过程中，燃滑油系统中的两个重要附件：燃一滑油热 交换器和燃一滑油附件后盖成批量在相同部位出现裂纹故障，导致漏油，严重威胁 飞行安全。查找裂纹故障产生的主要原因，并设计一种有效的修复方法以及提出 一套实用的预防方案，成为目前国内航空修理企业急需解决的技术难题。 本课题以燃滑热交换器和燃滑油附件后盖为研究对象，运用有限元分析软件 a b a q u s 对它们进行了c a e 建模与动力学分析，研究了裂纹产生的主要原因，提 出了裂纹故障修复与预防方案，并对所提出的方案进行了仿真验证。本课题完成 的主要工作如下： 1 ) 分析了燃一滑油热交换器和燃滑油附件后盖在航空发动机上的安装及受力 状况，研究了燃滑油热交换器和燃滑油附件后盖的结构与工作原理，确立了模型 简化原则和思路，利用测绘数据建立了结构的三维模型，探讨了a b a q u s 有限元 单元的特性，构建了结构的有限元模型。 2 ) 研究了动力学问题的有限元解法，对燃一滑油热交换器和燃滑油附件后盖 进行了相关的有限元分析，得到了仿真结果。对照理论分析的结果和有限元仿真 的结果，讨论了裂纹产生的主要原因。 3 ) 研究了不同安装方式对燃滑油热交换器高应力区分布和集中应力幅值大小 的影响规律，提出了燃滑油热交换器的安装方式改进方案。探讨了辅助支撑结构 对燃滑油热交换器动态响应的影响，提出了新增辅助结构以改善燃滑油热交换器 的应力集中的本体结构改进方案。分析对比了多种金属裂纹修复手段，提出了一 种实用有效的铝合金结构裂纹胶补修复与局部加强方案。 4 ) 分析了燃一滑油附件后盖不同部位所产生的裂纹故障可能对航空发动机造成 危害程度，创造性地提出了裂纹故障引导转移的避障策略，即通过调整改变原支 撑结构，在非关键部位形成新的应力集中点的同时，降低了关键部位应力集中区 域的应力幅值，迫使故障从不可修复的关键部位转移到可修复的非关键部位。经 计算机仿真，确定了一组裂纹引导缺口的最佳参数，结果表明，该方案合理有效。 主题词：航空发动机燃一滑油热交换器动力学分析裂纹修复裂纹引导 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t t w oi m p o r t a n ta c c e s s o r i e si nt h ef u e l - o i ls y s t e mo fa l la e r oe n g i n e ，f u e l o i lh e a t e x c h a n g e ra n df u e l - o i la c c e s s o d e sr e a l c o v e r 。h a v ec r a c k si nt h es a m es i t e si nb a t c h e s n ec r a c k sw h i c hc a u s e dt h el e a k a g ea r ed a n g e r sf o rt h ef l i g h ts a f e t y t h e r e f o r e ，f i n d i n g t h em a i nr e a s o n so ft h ec r a k e s ，d e v e l o p i n gar e p a i rm e t h o da n dp r o p o s i n gp r a c t i c a l p r e v e n t i o np r o g r a m ，a r et h et e c h n i c a lp r o b l e m sw h i c ha r eu r g e n tt o b es o l v e df o r d o m e s t i ca i rr e p a i rc o m p a n y b a s e do nt h em e a s u r ea n da n a l y s i sf u e l o i lh e a te x c h a n g e ra n df u e l o i la c c e s s o r i e s l e a rc o v e ，af i n i t ee l e m e n tm e t h o dp r o g r a m ，a b a q u s ，w a su s e dt od e v e l o pt h ec a e m o d e la n dd ok i n e t i ca n a l y s i s a f t e rf i n d i n gt h er e a s o n so ft h ec r a c k s ，r e p a i rm e t h o d a n dp r e v e n t i o np r o g r a ma r ep r o p o s e da n ds i m u l a t e d 1 1 1 ea c c o m p l i s h e dw o r k sa r ea s f o l l o w s ： 1 ) n l ei n s t a l l a t i o na n df o r c es t a t u so ff u e l - o i lh e a te x c h a n g e ra n df u e l - o i l a c c e s s o r i e sr e a rc o v e ro nt h ea e r oe n g i n ew e r ea n a l y z e d 砀es t r u c t u r ea n dw o r k i n g m e c h a n i s mo ft h ef u e l o i lh e a te x c h a n g e ra n df u e l o i la c c e s s o r i e sr e a rc o v e rw e r eu n d e r i n t e n s i v er e s e a r c h i na c c o r d a n c e 、析t ht h ep r i n c i p l e sa n di d e a so fs i m p l i f y i n gm o d e l w e b u i l tu pt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fs t r u c t u r eb a s e do nt h es u r v e y i n ga n dm a p p i n gd a t a , a n dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs t r u c t u r eb a s e do nt h ef i i l i t ee l e m e n tf e a t u r e so f a b a q u s 2 ) a f t e ri n v e s t i g a t i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o df o rk i n e t i ca n a l y s i s ，t h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o dw a su s e dt oa n a l y z ef u e l o i lh e a te x c h a n g e ra n df u e l - o i la c c e s s o r i e s r e a rc o v e ra n das t i m u l a t i o nr e s u l t sw a so b t a i n e d b a s e do nt h ec o m p a r i s o no f t h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t sa n df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h em a i nr e a s o n so ft h e c r a c k sw e r ed i s c u s s e d 3 ) w ef o u n dt h a tt h ew a y so fi n s t a l l a t i o n sc a u s e dd i f f e r e n te f f e c t so nt h e l l i g h s t r e s sa r e ad i s t r i b u t i o na n dc o n c e n t r a t e d s t r e s sa m p l i t u d ef o r f u e l o i lh e a t e x c h a n g e r b a s e do nt h el a w s a i li m p r o v e ds o l u t i o nf o rt h ei n s t a l l a t i o n so ft h ef u e l o i l h e a te x c h a n g e rw a sp r o p o s e d t h es e c o n d a r ys u p p o r ts t r u c t u r e sh a da ne f f e c to nt h e d y n a m i cr e s p o n s eo ft h ef u e l o i lh e a te x c h a n g e r ；t h e r e f o r ean e ws e c o n d a r ys u p p o r t s t r u c t u r ew a sp r o p o s e dt oi m p r o v et h es t r e s sc o n c e n t r a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so fa v a r i e t yo fm e t a lc r a c kr e p a r a t i o n ，ap r a c t i c a la n de f f e c t i v em e t h o dw h i c hu s e sa l u m i n u m a sg l u ew a sa d v i s e df o rc r a c k sm e n d i n ga n dl o c a ls t r e n g t h e n 4 ) a f t e ra n a l y z i n gt h ed i f f e r e n td e g r e eo fh a r mc a u s e db yt h ec r a c k so nt h e d i f f e r e n ts i t e so ff u e l o i la c c e s s o r i e sr e a rc o v e r w ep r o p o s e dai n n o v a t i v eo b s t a c l e a v o i d a n c es t r a t e g yw h i c hg u i d et h et r a n s f e ro fc r a c k 1 h eo r i g i n a ls u p p o r ts t r u c t u r e w o u l db ec h a n g e db ya d j u s t i n ga n dan e ws t r e s sc o n c e n t r a t i o np o i n t sw o u l dh ec o m e 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 i n t o b e i n g i nt h en o n - c r i t i c a l s i t e s ，t h e r e f o r e ，t h es t r e s sa m p l i t u d ei n t h e c o n c e n t r a t e d s t r e s sr e g i o nw o u l db er e d u c e da n dt h ec r a c k sw e r ec o m p e l l e dt r a n s f e r r e d f r o mc r i t i c a ls i t e sw h e r et h ec r a c k sw e r ei r r e p a r a b l et ot h eu n c r i t i c a ls i t e sw h e r et h e c r a c k sc o u l db er e p a i r e d ag r o u po ft h eb e s tp a r a m e t e r sw h i c hc a l lb eu s e dt og u i l dt h e t r a n s f e ro fc r a c k sw e r eo b t a i n e db yt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n t h er e s u l t ss u g g e s t e dt h a t t h ep r e v e n t i o nm e t h o di sp r a c t i c a la n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：a e r o - e n g i n ef u e l - - o i lh e a te x c h a n g e r k i n e t i ca n a l y s i s c r a c kr e p a i rc r a c kg u i d e 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1 燃滑油热交换器模型前1 0 阶固有频率2 l 表5 1 燃滑油热交换器有4 个安装支铰所有的组合约束方案4 1 表5 2 后盖支架辐板2 0 组开口参数4 7 表5 3 过渡斜角的2 0 组参数51 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 零件失效的分类3 图1 2 裂纹失效的分类4 图2 1 燃滑油热交换器的外形及内部结构j 1 0 图2 2 燃滑油热交换器三维c a d 模型外观及内部结构1 1 图2 3c 3 d 1 0 单元的形状与节点编号1 3 图2 4 燃滑油热交换器有限元模型1 3 图2 5 后盖外形与后盖支架结构简化图1 3 图2 6 燃滑油附件后盖三维c a d 模型与有限元网格模型1 4 图3 1 燃滑油热交换器裂纹位置与形态1 6 图3 2 燃一滑油热交换器在发动机上的安装j 1 7 图3 3 燃滑油热交换器模态分析流程2 0 图3 4 燃滑油热交换器模型前6 阶模态振型图2 2 图3 5 燃滑油热交换器简化的振动力学模型2 4 图3 6 质量弹簧系统2 6 图3 7 失效部位及其附近具有代表性的8 个节点2 9 图3 8 失效部位及其附近具有代表性的8 个节点稳态响应的应力变化曲线3 0 图3 9 在5 0 h z ，1 0 0 h z ，2 0 0 h z ，2 8 5 h z 时热交换器上各点的应力分布云图3 1 图3 1 08 个节点形成的路径上的应力变化曲线3 1 图4 1 燃滑油附件后盖裂纹位置与裂纹形态3 3 图4 2 燃滑油附件安装及静态受力示意图3 4 图4 3 后盖支架裂纹断口l0 倍照片3 5 图4 4 燃滑油附件后盖支架的应力分布云图3 7 图5 1 燃一滑油热交换器胶补工艺流程图4 0 图5 2 燃滑油热交换器胶补区域图4 0 图5 3 具有代表性的8 个节点稳态响应的应力变化曲线4 2 图5 4 在5 0 h z ，1 0 0 h z ，2 0 0 h z ，2 8 5 h z 时热交换器上各点的应力分布云图一4 3 图5 58 个节点形成的路径上的应力变化曲线一4 3 图5 6 结构的三维c a d 模型。4 4 图5 7 具有代表性的8 个节点稳态响应的应力变化曲线4 4 图5 8 在5 0 h z ，1 0 0 h z ，2 0 0 h z ，2 8 5 h z 时热交换器上各点的应力分布云图4 5 图5 98 个节点形成的路径上的应力变化曲线4 5 图5 1 0 支架改进示意图及支架改进前后的裂纹扩展方向4 7 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 1 1 后盖支架辐板1 i 同开u 参数情况卜的仿真应力云图。5 0 图5 1 2 支架改进方案示意图。51 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名：日期：手奶备，7 月抄日 日期：手训降l l 其w 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 一 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：筮窒发塾扭险佳裂纹敛瞳厦固金堑曼丝堡挝筮盈窒 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：扣刁年i1 月泐日 日期：幽川年i i p j , z v 日 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 第一章绪论另一早殖v 匕 1 1 课题的研究背景及意义 航空发动机是飞机的心脏，它的结构非常复杂，其可靠性直接影响到发动机 的利用效率和飞机的飞行安全。如何实现发动机故障的快速诊断、故障成因的准 确获取以及故障的有效修复是当今世界各航空公司以及航空修理企业所关心的问 题。从2 0 世纪8 0 年代开始，世界各国对航空发动机的研制和使用提出了许多新 的研究课题，其中一个重要方面就是发动机故障成因分析与故障修复1 1 。 1 1 1 课题的提出及意义 某型航空发动机在其使用过程中，燃滑油系统的关键零部件：燃滑油热交换 器和燃一滑油附件后盖经常出现裂纹故障导致漏油，特别是其中的燃滑油热交换 器，使用时间大约达到其设计寿命的三分之一时，就成批量、同部位出现裂纹。 该型燃滑油热交换器出现裂纹后，国内航修企业通常采用传统补焊方式修复，但 补焊后使用不到1 0 0 小时仍然在相同部位出现类似裂纹，甚至将热交换器裂纹件 送到国内专业研究所补焊后也仍然出现相似的状况。目前，针对这种裂纹故障设 计一种有效的修复方法和一套有效的预防方案，成为国内航空修理企业急需解决 的技术难题。 航空发动机可靠性要求很高，燃滑油热交换器焊接裂纹出现导致漏油事故， 严重威胁飞行安全。为了保障飞行安全、保证发动机使用寿命，一方面，亟需找 出燃滑热交换器和燃滑油附件后盖裂纹故障产生的主要原因，采取预防措施延长 尚未损坏的热交换器的寿命以避免维修，减少影响飞行安全的潜在威胁；另一方 面，需要实现燃滑油热交换器一次性修复就达到飞行寿命要求，以降低维修成本。 可见，解决燃滑油热交换器和燃滑油附件后盖成批次出现裂纹故障这一难题具有 重要的现实意义。 1 。1 2 结构动力学概述 1 1 2 1 结构动力学概述 工程结构的动力问题可以分为两大类，一类是确定结构的固有频率及相应的 振型，另一类是寻找在任意动力荷载作用下结构位置、变形或内力等随时间的变 化规律。随着现代设备向大型、高速、高精度和轻量化方向发展，动力学问题越 来越突出和重要。例如飞机由于强度破坏而引起的事故中，7 0 8 0 是由振动疲劳 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 所至；大功率的汽轮发电机组出现频繁的事故，对此进行的研究大大促进了转子 动力学发展；大型火箭导航陀螺的位置安排，必须考虑火箭的模态形状，在设计 过程中必须做振动模态计算和试验分析【2 羽。 在结构动力学中，凡是能产生振动的研究对象统称为动力系统，而将引起系 统振动的外界输入，如初始干扰、外激励力等，统称为激励，系统在激励下产生 的效果如位移、应力等，统称为系统的动态响应。结构动力学就是研究系统在动 载荷作用下产生响应的规律，或者说是研究系统、动载荷和响应三者的关系【6 1 。显 然，安装于航空发动机上的燃滑油热交换器和燃滑油附件后盖都是典型的动力系 统。 一般来讲，如果动态激励使结构以大约超过其一阶固有频率三分之一的值振 动，通常就可以将此作为动力学问题处理。对于动力学问题的分析，有三点需要 注意：一是激励和响应都是时间的函数，因此分析时除了边界条件还需要知道初 始条件；二是因振动的质点具有加速度，从而结构中存在惯性力；三是一般情况 下需要考虑阻尼的影响1 7 j 。 1 1 2 2 振动分类瞪l 动力学问题分析中，从不同的角度，可以对振动进行不同方式的分类。 按照对系统的激励状况可分为： 自由振动。这是系统受初始干扰产生的振动，或者外激励力消失后存在的 振动。它能够反应最基本的系统动力特性，是研究其他各种振动的基础。 强迫振动。这是系统在外激励作用下产生的振动。强迫振动中的频率及振 幅不仅取决于系统自身特性，而且与外激励有关。 自激振动。这是由于输入，输出间有反馈现象并且有能源补充而产生的振 动，这时激励是受系统本身控制的。飞行器颤振现象就属于自激振动。 按照系统的振动规律可分为： 周期性振动。这种振动的振动量是时间的周期函数。 非周期性振动。此时振动量为时间的非周期函数。 瞬态振动。由冲击引起结构系统的振动，一般发生在较短的时间内。 随机振动。其输入激励及振动量不是时间的确定性函数，只能用概率统计 的方法来研究。 按照系统的自由度数目可分为： 单自由度系统的振动。用一个独立坐标就能确定系统运动状态的振动。 多自由度系统的振动。用多个独立坐标才能确定系统运动状态的振动。 连续体振动。需用无穷多个独立坐标才能确定系统运动状态的振动。 航空发动机受到来自转子不平衡和临界转速产生的激振力、零件产生的激振 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 力( 如齿轮碰撞) 、气体激振力( 如压气机喘振) 以及某些自激振动等动态钱荷 的作用，使它成为一个具有复杂综合的振动形态的系统【9 j 。燃滑油热交换器和燃 滑油附件后盖安装于发动机机匣上，从而也受到各种动态激励的影响，也成为一 个较为复杂的振动系统，其上裂纹故障的出现必然和它们所受的动态激励相关。 它们所表现出的振动，从激励状况来看主要属于强迫振动，从振动规律来看主要 属于周期性振动，从系统的自由度数目来看属于多自由度系统的振动。 1 - 2 2 裂纹故障的分析、预防与修复 国内外文献中，对燃滑油热交换系统的研究大多是针对热力学方面的，尚未 见到专门针对燃滑油热交换系统裂纹故障原因与预防的研究。对其它常见工程结 构以及航空发动机其它部件的裂纹故障原因与预防进行研究的文献比较常见，这 类文献中解决裂纹故障问题的思路和其中的一些方法对本文涉及的研究课题有一 定的参考意义。 1 2 2 i 裂纹故障的分类与诊断 按失效的形式和特征，机械零部件失效可以分为如图1 1 所示的三大类，燃 滑油热交换器和燃滑油附件后盖的裂纹故障属于其中断裂失效范畴1 0 1 。 变形j 塑性变形 ，失效1 过量弹性变形 i 、 机械i厂脆性断裂 零帮i 断裂j 塑性断裂 囊毳 残骸分析 根据残骸裂纹的出现顺序和裂纹断口的宏观性质确定初始破坏件，然后对初 始破坏件的裂纹断口性质、裂纹走向、力学性能、显微组织等进行分析，从而初 步确定断裂失效的具体形式。 应力分析 对初始破坏件的结构与工作条件进行分析，确定它所承受的各种载荷激励， 根据载荷的来源、性质和大小等分析和估算零部件的应力分布和大小，分析应力 分布与零件失效之间的关系。 失效模拟 设计实验并控制实验条件，在实验室或现场进行模拟试验，并对模拟失效的 断口与实际损坏件的断口进行对比分析。 结论与建议： 根据分析得出失效的原因，以及避免将来使用中发生同样失效状况应采取的 措施建议，或对零件的材料、结构等方面的改进建议。 1 2 2 2 裂纹故障的预防与修复 从影响断裂失效的主要因素来看，预防裂纹故障主要涉及零件应力和零件材 料两个方面。零件承受的实际应力包括工作应力、残余应力和集中应力三个部分， 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 改进零件的结构设计叮以有效改善集中应力和工作应力，而采用合理的工艺流程 和工艺手段则可以将残余应力控制在最低限度；在零件承受的实际应力一定的情 况下，选用合适的材料，提高材料的质量和强度也是预防裂纹故障的有效措施。 疲劳断裂是机器零件最常见的失效形式，在各种机器零件中，因疲劳导致的 失效达到失效总数的6 0 7 0 以上【加】。合理的材料选择、结构设计和工艺设计是零 件具有优良抗疲劳品质的重要保障；结构设计确定之后，所采用的加工工艺是影 响零件应力集中情况、表面状态和残余应力的决定性因素；对加工完成的成品零 件，理论上来说，其抗疲劳性能已经确定下来，如果再采取一些有针对性的表面 强化后处理工艺，如喷丸强化、表面感应热处理等，可以显著提高零件抗疲劳品 质；对于热疲劳，设法减少变形约束，减小零件温度梯度，均有利于降低热疲劳 损伤的影响。 当金属构件出现裂纹故障时，通用的裂纹修补的方法有三种：钻止裂孔、焊 接修复以及近年来发展起来的胶补修复。有资料证明，第一和第三种方法结合使 用效果最好【l 2 。 钻止裂孔： 裂纹附近区域的材料组织已经在过去的工作历程中疲劳损伤，按断裂理论， 若要降低乃至停止裂纹的扩展就只能降低构件应力。在裂纹尖端钻止裂孔并按要 求铰孔的方法不能消除裂纹，也不能减少裂纹长度，但可以降低原裂纹尖端的应 力场强度因子，从而延长构件的工作寿命。 焊接修复： 选用合适的焊接材料和工艺进行焊接修复，是金属构件裂纹修复中最常用的 方法。铝合金的焊接一般多为氩弧焊，包括钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊和脉冲氩 弧焊等。近年来，随着铝合金越来越广泛地使用，很多新的焊接方法和焊接工艺 也发展起来，如搅拌摩擦焊、激光焊接、激光电弧复合焊接、电子束焊接等【1 3 - 1 引， 这些新的焊接方法和工艺在提高焊接效率和焊接质量，减少焊接缺陷方面有较好 的效果，但也存在设备昂贵、工艺复杂等不足。 胶补修复： 复合材料补片胶接修补方法一种将合适的复合材料预制补片，用胶接方法贴 补到构件的损伤区，进行局部补强，以达到延长结构使用寿命的有效方法。与传统 的机械修补方法相比，复合材料补片胶接修补方法具有结构增重小、抗疲劳性能和 耐腐蚀性能好、修理时间短、成本低等优点，是一种优质、高效、低成本的结构修 理方法f 1 9 】。 国外对复合材料补片胶接修理技术的研究成果已广泛应用于各种构件( 包括金 属和复合材料构件) 的修理，如飞机机翼蒙皮、起落架轮毂和舱门框等，所用的补 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 片材料多为硼纤维环氧复合材料，也有采用炭纤维环氧复合材料补片1 2 0 2 i j 。我 国近年来对复合材料修复技术也有一定研究，相关成果在飞机金属水平尾翼和机 翼前梁的修补已有所应用 2 2 - 2 4 。 1 2 本文主要内容 本课题以燃一滑热交换器和燃一滑油附件后盖为研究对象，运用计算机辅助有 限元( c a f e a ) 分析软件a b a q u s 对它们进行了动力学分析，确定了裂纹产生的主 要原因，针对裂纹原因设计了裂纹故障修复与预防方案。本课题主要研究内容有： 1 ) 在分析燃滑油热交换器和燃滑油附件后盖的结构与工作原理的基础上， 利用测绘数据建立了它们的三维模型，根据模型结构和有限单元选择原则，划分 有限元网格建立了有限元模型。 2 ) 研究了热交换器和燃滑油附件后盖在航空发动机上的安装及受力状况，确 定了有限元分析的边界条件和加载数据。 3 ) 研究了动力学问题的有限元解法，对燃滑油热交换器和燃滑油附件后盖 进行了相关的有限元分析，得到了仿真结果。对照理论分析的结果和有限元仿真 的结果，分析论证了裂纹产生的主要原因。 4 ) 根据以上分析研究，分别提出了各关键部件的结构改进方案、安装方式改 进方案、裂纹修复方案以及裂纹预防方案。根据改进方案再进行有限元仿真，仿 真结果表明，预防方案合理有效。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章燃滑油热交换系统关键零部件的结构分析与建模 振动系统常常被分为离散系统和连续系统，本质上离散系统和连续系统只是 表示同一物理系统的两种不同的数学模型，离散系统的数学特征用常微分方程描 述，而连续系统用偏微分方程表示，连续系统可以看作是离散系统当自由度无限 增加时的极限情形。对于一些简单的工程振动结构进行理想化的简化后，可以应 用相关分析理论进行分析，得到其精确解。但是对于实际的工程结构，尤其对于大 型复杂的工程系统，例如航空发动机、汽车等，要求得它们的精确解几乎是不可 能的，往往需要适当抽象，将连续模型离散为有限数个自由度的系统，并由此求 出连续系统的近似解。这种方法对于实际工程问题的解决是一种切实可行的重要 途径。目前，对于复杂结构的动力学计算问题，有限元法即为一种常用的有效离 散方法【2 5 1 。 2 1 有限单元法概述 有限元方法最初被用于研究复杂的飞机结构中的应力，后来逐渐发展为求解 各领域数理方程的一种通用近似计算方法。有限单元法是一种以弹性理论、计算 数学和计算机软件技术为基础的数值计算方法，是分析复杂结构和复杂问题的一 种有效的数值工具。它的主要思想，是利用一定的单元对连续问题进行离散和近 似，通过单元节点相互连接成为一个整体，然后用每一单元内的场函数来近似表 达整个求解域上的未知变量，利用相邻单元公共节点的变形协调条件，将各个单 元的关系式集合成方程组，求解这些未知量，并通过插值函数计算出各个单元内 场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。单元划分越细，即随着单元 的尺寸变得越来越小，解的近似程度将不断被改进，如果单元满足收敛要求，近 似解可收敛为精确解1 2 6 1 。 2 1 1 有限单元法分析过程【2 7 l 1 ) 结构的离散化 结构离散化是有限元分析的第一步，将连续结构划分为有限数目的单元体集 合，集合体内相邻单元之间相关参数具有连续性，以这样的单元体集合代替原有 的连续结构。 2 ) 位移模式的选择 有限元法通常以节点位移为基本未知向量，以它来表示单元体的位移、应变 和应力，在求解时就需要选择一个简单函数( 位移模式) 来近似表示单元位移随 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 坐标分量的变化规律，由于多项式的数学运算简单，通常选用它作为位移模式。 位移矩阵可以写为： 跖= n 6 p ( 2 1 ) 口是单元内任意点的位移，占。是单元节点位移，形函数n 是空间坐标的函数 与时间无关； 3 ) 单元力学特性分析 通过几何方程建立单元应变和节点位移之间的关系： 8 。b 6 ( 2 2 ) 占为单元应变矩阵； 利用物理方程得到单元应力和节点位移之间的关系： 仃5 d r 2 d b 6 。 ( 2 3 ) d 为与材料相关的单元弹性矩阵； 利用变分原理建立单元节点力和节点位移之间的关系式： p = 露8 扩 ( 2 4 ) k 。为单元刚度矩阵，其形式为： k = 胪r o s 出c l y d z ( 2 5 ) 4 ) 建立整体结构的平衡方程 把所有单元刚度矩阵集合形成一个整体刚度矩阵置，同时将作用于各单元的 等效节点力向量集合组成整体结构的节点载荷向量，得到整个结构的平衡方程： f = k 6 ( 2 6 ) 5 ) 求解未知的节点位移和单元应力 引入边界约束条件，对所建立的平衡方程进行适当修改，使整体刚度阵变为 非奇异阵，然后选择适当的方法求解未知的节点位移，继而求出单元应变和应力。 2 1 2 常见的有限元分析软件 比较知名的有限元分析软件有美国的a n s y s 、n a s t r a n 、a b a q u s 、 s t a r - d y n e ，法国的s y s t u s ，德国的a s k a 等。使用最广的是a n s y s ，它是 融结构、流体、电场、磁场和声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。其主 要特点是具有较好的几何建模，网格划分、参数设置等前处理功能；具有多种分 析模块，可以完成结构动力学、电磁场、压电以及多物理场的耦合等各种分析， 可以模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力：后处理的 计算结果有多种显示和表达能力。a n s y s 软件系统主要包括a n s y s m u l t i p h y s i c s 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 多物理场仿真分析工具、l s d y n a 显式瞬态动力分析工具、d e s i g ns p a c e 设计前 期c a d 集成工具和f e s a f e 结构疲劳耐久性分析等。 本文使用的分析软件是美国h k s 公司开发的a b a q u s 。它是一套功能强大的 模拟工程的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的 非线性问题。它可以模拟绝大部分工程材料的线形和非线形行为，如金属、橡胶、 塑料、弹性泡沫等，可以进行结构的静态和动态分析，如应力、变形、振动、热 传导以及对流等【2 引。它的主要分析模块有：静态( 准静态) 应力位移分析动态分 析模块、粘弹性粘塑性响应分析模块、热传导分析模块、各种耦合分析模块、非 线性动态应力位移分析模块、退火成型过程分析模块、疲劳分析模块、设计灵敏 度分析模块等等。 2 2 燃滑油热交换器有限元模型的建立 2 2 1 燃一滑油热交换器的结构 燃滑油热交换器的外形如图2 1 ( a ) 所示，内部结构如图2 1 ( b ) 所示。从整体外 形上看，它由一个箱体结构和一个燃油加压泵组成，箱体由铝合金板材焊接而成， 燃油加压泵以悬臂布置的方式焊接于箱体上，在燃滑油热交换器外部设有燃油进 出口、滑油进出口和四个安装支铰，内部设有柱状加强筋和扁平的润滑油导管。 在导管内部以及之间有钎焊的、用于扰流的波纹状铝合金带，同时这些铝合金带 将所有的导管以及导管和外部的壳连成一个整体，形成一个蜂窝状的结构。 燃滑油热交换器工作时，工作后的高温润滑油从滑油进口流入，沿着图2 1 ( a ) 中虚线所示方向在滑油导管内流动，最后从滑油出口流出：低温燃油从燃油进口 流入，沿着图2 1 ( a ) 中实线所示方向在滑油导管之间的腔体内流动，最后从燃油出 口流出；低温燃油和工作后的高温滑油在各自通道内流动进行热交换，实现冷却 润滑油同时加热燃油的目的，使润滑油得以保持合适的工作温度，同时也让燃油 可以更充分地燃烧。 2 2 2 燃一滑油热交换器三维c a d 模型 本文涉及的燃滑油热交换器是从乌克兰进口的部件，没有设计数据与设计图 纸，只能在实物测绘的基础上进行c a d 三维建模。鉴于结构的复杂性，为了提高 计算速度并满足c a e 分析的要求，依据研究的重点，对结构强度及刚度和计算结 果影响不大的前提下，按以下思路对热交换器结构进行简化处理。 第9 页 国防科学技术人学研究生院硕士学位论文 ( 曲燃- 滑油热交换器的外形 o ) 燃- 滑油热变换嚣内部结构 图2l 燃- 滑油热交换器的外形及内部结构 1 ) 不考虑燃油加压泵内部结构的接触与受力，而只关心其作为一个整体对于 燃滑油热交换器应力分布的影响，可以忽略它的各组成零件z 间的连接关系，把 它简化为个整体； 2 ) 燃一滑油热交换器内腔中的波纹状铝合金带很薄，同时布置的间隔报小， 为了建模方便，同时为了能顺利地进行网格划分和有限元计算，建模时也需要对 它进行适当简化，简化的方式是增加它的厚度同时加大其间隔，保证各部份之间 的连接和受力状况基本不变； 3 ) 最后，建模时还对燃滑热交换器上各种管道接口作了简化，忽略了较小 和较短的管道接口，只保留了相对来说较长较大的油管接口。 按照上述简化思想使用实物测绘得到的数据，在s o l i dw o r k s 中综合利用拉 第1 0 页 国防科学技术人学研究生院硕上学位论_ 芷 所示，图22 ( 曲是模型的外观，圈22 ( b ) 是模型的内部结构剖切与局部放大。 ( a ) 模型外规( b ) 模型内部结杜j 圈2 2 燃滑油热交换器三维c a d 模型外现及内部站午；j 223 燃一滑油热交换器有限元模型的建立 使用有限元分析软件建立模型有限冗模型的过程中，网格划分足个重要的 环节。嘲格质量的好坏直接关系到分析结果的正确性和精确性，同时也决定着分 析所需要的训算代价和成本，好的网格般包含三要素：合适的单元类型、良好 的单元形状和适当的单元大小j 。 在a b a q u s c a e 中建立燃一滑油热交换器的有限元网格模型涉及多个内容， 主要包括：三维c a d 实体模型的导入、有限元嘲格种子的布置、紫兀类型和网格 划分方法的选择、网格的划分和网格质量的检验等。 实体模型的导入 从燃一滑油热交换器结构的分析来看，要完成它的三维造型，需要综合使用放 样、扫掠等多种高级建模手段。相对专门的三维建模软件，a b a q u s c a e 模块的 建模功能较弱，建立完善的燃滑油热交换器三维模型存在一定难度。于是本文使 用s o l i dw o r k s 建立模型，然后转换存储格式，把建好的燃滑油热交换器三维c a d 模型导出存为+ x t 格式，最后利用a b a q u s 的p a r a s o l i d 接口导入。模型导出导 入的过程中，有时会出现短边、小面、尖角或几何缺陷( 如缝隙) 等，这些都会 影响网格的划分。因此模型导入a b a q u s 扁，需要使用诊断下具查找这类问题， 然后利用几何修补工具对模型进行修补完善，得到岛质量的模型。 有限元网格种了的布置 通过布撒网格种子，可以控制最后所得到的有限兀模型的节点位置和密度。 种子分为全局种子( g l o b a ls e e d ) 和边界种子( e d g es e e d ) 两种，设置种子时，先 第l 】负 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 设置全局种子的值，统一控制整个部件或实体的单元尺寸，然后可以根据需要设 置边界种子，比如在某些边设置较小的边界种子值，达到细化网格、提高计算精 度的目的。 单元类型和网格划分方法的选择 有限元分析的本质是利用合适的单元类型，将连续体模型转化为由有限个单 元组成的离散模型进行分析的方法。单元类型选择是有限元模型建立中最重要、 最关键的部分，单元类型选择不恰当最终可能导致不准确甚至完全错误的结果。 a b a q u s 提供了丰富的单元库，几乎可以模拟实际工程中需要的任何模型， 这些单元按节点性质可分为8 大类：实体单元、壳单元、梁单元、杆单元、薄膜 单元、刚体单元、连接单元和无单元。按节点插值的阶数，又可以分为线性单元、 二次单元和修正的二次单元三种。对于三维问题，可选择的单元形状包括h e x ( 六 面体单元) 、t e t ( 四面体单元) 和w e d g e ( 楔形单元) ，h e x 单元可以用较小的 计算代价获得较高的计算精度，但用于划分复杂的结构模型存在一定难度；二次 完全积分单元适合于分析应力集中问题，其中的二次t e t 单元可以模拟任意的几何 形状，对复杂模型适应性强，只是存在计算代价较h e x 单元高的不足。 a b a q u s 提供了三种网格划分方法：结构化网格( s t r u c t u r e d ) 、扫掠网格 ( s w e e p ) 和自由网格( f r e e ) 。结构化网格和扫掠网格划分方法多用于规则模型 或者可以分割为几个规则的部分的模型；自由网格划分方法适应性广，采用这种 方法时，通常需要选择带中间节点的二次单元以保证分析结果的精度。 燃滑油热交换器模型整体上看是一个多孔的实体结构，各个方向上的尺寸差 异并不大，所以选择单元类型为实体单元；二次完全积分单元具有一个明显的优 点：对应力的计算结果很精确，而本文研究侧重点在于关注模型的应力分布状况， 属于于小位移无接触问题，所以可以选择二次完全积分实体单元；另外，燃滑油 热交换器模型较为复杂，即使进行实体分割后也难以完全采用六面体单元进行网 格划分，而只能使用t e t 单元。本文最终使用二次完全积分四面体单元中的c 3 d 1 0 ( 如图2 3 所示) 对燃一滑油热交换器c a d 模型进行离散，使用的网格划分方法是 自