基于工作應力仿真分析的某型航空發動機燃－滑油熱交換器安裝改進思路

楊坤玉，蔡海鵬，羅成，潘存云

（1．長沙航空職業技術學院，湖南長沙410124;

2．國防科技大學機電工程與自動化學院，湖南長沙 410073）

基于工作應力仿真分析的某型航空發動機燃－滑油熱交換器安裝改進思路

楊坤玉1，蔡海鵬1，羅成2，潘存云2

（1．長沙航空職業技術學院，湖南長沙410124;

2．國防科技大學機電工程與自動化學院，湖南長沙 410073）

為找到航空發動機燃－滑油熱交換器焊縫裂紋產生的主要原因，對燃－滑油熱交換器進行了穩態工作應力仿真分析，提出一種新的安裝思路，并對在新的安裝方式燃－滑油熱交換器進行了整體和失效部位的工作應力仿真分析。結果表明，新安裝方式可以有效改善發動機工作時熱交換器的工作應力分布和降低峰值，為降低熱交換器工作應力和預防焊縫裂紋找到了有效的途徑和方法。

航空發動機;燃－滑油熱交換器;安裝方式;動力學仿真;工作應力

燃－滑油熱交換器是某型航空發動機附件系統的核心部件，主要功用是交換燃油和滑油的熱量。近年來發現在封頭體焊縫同區域、成批次、季節性出現裂紋，導致漏油事故。初步分析認為，裂紋的產生主要是有促其撕裂的應力峰值存在，且應力峰值超過了該部件材料或焊縫的疲勞極限。［1］為深入分析裂紋產生的主要原因，本文利用有限元分析軟件，對在現有安裝方式下的燃－滑油熱交換器進行了動力學仿真分析，并進一步提出一種新的安裝思路，對這種新安裝方式下的燃－滑油熱交換器進行了穩態工作應力和失效部位的應力變化曲線仿真分析和比較。

1 燃－滑油熱交換器的外形、內部結構及有限元模型的建立

1．1 燃－滑油熱交換器的外形與內部結構、工作原理

燃－滑油熱交換器的外形與內部結構如圖1所示，它由一個箱體和一個燃油加壓泵組成，燃油加壓泵以懸臂布置方式焊接于箱體上。熱交換器外部設有燃油進出口、滑油進出口和四個安裝支鉸，內部設有柱狀加強筋和扁平的潤滑油導管。燃－滑油熱交換器工作原理是交換滑油和燃油的熱量以實現冷卻潤滑油同時加熱燃油的目的。

圖1 燃－滑油熱交換器外形與內部結構

1．2 燃－滑油熱交換器有限元模型的建立

利用測繪和實物解剖后觀察到的內部結構得到的數據，我們建立了精確的燃－滑油熱交換器有限元模型。［2］建模結果如圖2所示，圖2（a）是模型的外觀，圖2（b）是模型的內部結構剖切與局部放大。熱交換器出現裂紋故障的部位如圖2（a）所示。

圖2 燃－滑油散熱器模型外觀及內部結構

2 燃－滑油熱交換器在現有安裝方式下的穩態應力仿真分析

2．1 燃－滑油熱交換器的現有安裝方式

燃－滑油熱交換器在發動機上的安裝采用的是“一定三活”方式，即它的四個安裝支鉸與發動機機匣上附件安裝法蘭的四個安裝孔配合，孔內加裝橡膠減振器。其中支鉸4處固定了X、Y、Z三個方向的平動自由度，支鉸1、2、3均只固定了Y、Z兩個平動自由度。

2．2 燃－滑油熱交換器的穩態響應應力變化分析

為深入分析裂紋產生的主要原因，必須對在現有安裝方式下的燃－滑油熱交換器進行動力學仿真分析。［3－5］因此，分別從熱交換器整體和失效部位兩方面來研究。

首先，利用美國HKS公司開發的ABAQUS有限元分析軟件，在精確建立的有限元模型基礎上，對熱交換器在頻率為50Hz、100Hz、200Hz、285Hz的振動下進行了整體穩態工作應力分析，結果如圖3所示。分析結果表明，在50Hz、100Hz、200Hz、285Hz時有限元分析結果的高應力區和燃－滑油熱交換器發生裂紋失效的部位完全吻合，應力值的大小隨著激勵頻率的升高而變大，說明要解決燃－滑油熱交換器成批量、同部位出現裂紋故障的問題，需要從改變此處的應力分布及峰值大小入手。

裂紋故障區與高應力區吻合，說明裂紋的產生與熱交換器的工作應力有直接的聯系。

圖3 在50Hz、100Hz、200Hz、285Hz時熱交換器上各點的應力分布云圖

為了解不同頻率激勵下熱交換器發生破壞的部位的應力變化情況，取失效部位及其附近具有代表性的8個節點，形成一條有代表性的應力變化路徑，如圖4所示。［6］利用有限元分析軟件分析得出8個節點穩態響應的應力變化曲線，如圖5所示。為分析8個節點各自的應力變化情況，我們分析了8個節點形成的路徑上的應力變化曲線，如圖6所示。

圖4 失效部位及其附近具有代表性的8個節點

圖5 失效部位及其附近具有代表性的8個節點穩態響應的應力變化曲線

圖6 8個節點路徑上的應力變化曲線

結果分析表明：

1）圖5中8個節點穩態響應的應力變化曲線表明，在0～350Hz的外部激勵作用下，隨著激勵頻率的提高每個節點的應力都有增大趨勢，而且變大的趨勢隨著頻率的升高而變得明顯。

2）圖6中8個節點形成的路徑上的應力變化曲線表明，越靠近支鉸4根部和加壓泵根部應力水平越高，說明了支鉸4的安裝固定方式和加壓泵懸臂設置的方式，對促成高應力區的產生有重要的作用。要改變它們附近應力區的分布和應力的水平，可以從改變這兩處的邊界條件入手。改變邊界條件，會使結構的整體剛度發生變化，從而對燃－滑油熱交換器的固有振型和固有頻率產生很大影響，繼而會改變其工作時的應力分布及峰值大小。［7］

3 一種新安裝思路的提出與仿真分析

從穩態響應分析結果來看，加壓泵的懸臂設置使其根部出現高應力集中區，成為引發裂紋故障的隱患。因此，提出一種新的安裝思路，即在燃油加壓泵上添加一個安裝支鉸，如圖7所示，使它成為一個非懸臂結構，從而改善應力集中的狀況。

圖7 新安裝思路的三維CAD模型

為對比現有安裝方式與新的安裝思路對熱交換器各部分工作應力的影響，對新的安裝方式下熱交換器在50Hz、100Hz、200Hz、285Hz振動激勵下的應力，以及在失效部位及其附近具有代表性的8個節點的應力變化情況進行了分析。圖8是在50Hz、100Hz、200Hz、285Hz時燃－滑油熱交換器的應力分布云圖，圖9列出了8個節點穩態響應的應力變化曲線，圖10是8個節點形成的路徑上的應力變化曲線。

圖8 新安裝思路下在50Hz、100Hz、200Hz、285Hz時熱交換器上各點的應力分布云圖

圖9 新安裝思路下具有代表性的8個節點穩態響應的應力變化曲線

圖10 新安裝思路下8個節點形成的路徑上的應力變化曲線

結果分析表明：

1）對比燃油加壓泵結構改變前后燃－滑油熱交換器模態分析結果，結構的第1階固有頻率從之前的460Hz增大到706Hz，進一步遠離了航空發動機工作時給予燃－滑油熱交換器的振動載荷的頻率（約285Hz），有利于減小振動載荷對燃－滑油熱交換器的影響。

2）比較圖3、5、6和圖8、9、10可見，改變燃－滑油熱交換器安裝方式，使燃－滑油熱交換器的應力集中區域發生了轉移，應力集中狀況有明顯改善，具有代表性的8個節點及其附近區域的穩態響應應力明顯降低，這對于減少裂紋故障的出現、延緩裂紋的擴展是有利的。

4 結論

1）通過對燃－滑油熱交換器進行了穩態工作應力和失效部位的應力變化曲線的仿真分析，發現裂紋故障區與高應力區吻合。

2）提出了一種新的安裝思路，并在此新安裝方式下對燃－滑油熱交換器進行了穩態工作應力和失效部位的應力變化曲線的仿真分析與比較。結果表明，新的安裝方式可以有效改善發動機工作時熱交換器的工作應力分布和顯著降低峰值，為從根本上降低熱交換器工作應力、預防焊縫裂紋故障產生指出了方向和途徑，為實際修理改裝提供了理論依據。

［1］陳光．航空發動機故障分析［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2001．

［2］溫熙森，陳循．機械系統建模與動態分析［M］．北京：科學出版社，1995．

［3］王尚文．飛行器結構動力學［M］．西安：西北工業大學出版社，1998．

［4］張文元．ABAQUS動力學有限元分析指南［M］．香港：中國圖書出版社，2005．

［5］大久保信行．機械模態分析［M］．上海：上海交通大學出版社，1985．

［6］張文志，韓清凱，劉亞忠．機械結構有限元分析［M］．哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2006．

［7］晏礪堂．航空燃氣輪機振動和減振［M］．北京：國防工業出版社，1991．

［編校：鄧桂萍］

Im provement Method for a Certain Aero－engine＇s Fuel－lubricating Oil Heat Exchanger and Installation Based on Simulation Analysis of W orking Stress

YANG Kunyu1，CAIHaipeng1，LUO Cheng2，PAN Cunyun2
（1．Changsha Aeronautical Vocational and Technical College，Changsha Hunan 410124;
2．College of Electromechanical Engineering and Automation，National University of Defense Technology，Changsha Hunan 410073）

To find themain cause of fuel－lubricating oil heat exchanger＇sweld cracks on a certain aero－engine，the paper gives a steady simulation analysis of fuel－lubricating oil heat exchanger．Then，a new installation method is presented and the working stress of the entire and disabled parts of the newly fuel－lubricating oil heat exchanger are analyzed．The results show that this new installation method can effectively improve the working stress distribution of the heat exchanger and reduce the peak．Thus，the effectiveways are found for reducing the working stress of the heat exchanger and preventing the weld cracks．

aero－engine;fuel－lubricating oil heat exchanger;installation method;dynamics simulation;working stress

V231．1+6

A

1671－9654（2011）04－030－05

2011－09－26

楊坤玉（1974－），女，湖南永州人，副教授，在讀博士研究生，研究方向為機械結構優化設計、航空金屬件焊縫裂紋研究與修復。