預緊裝配下浮動瓦塊高溫蠕變分析

楊眉

【摘 要】本文采用彈塑性分析方法和蠕變模型對預緊裝配下浮動瓦塊進行高溫蠕變分析。蠕變分析結果顯示：高溫下，預緊對瓦塊產生的應力隨時間增加而下降，應力松弛作用明顯，50小時后保持穩定狀態，不再發生變化。蠕變應變隨著時間增加而不斷增加，同樣50小時后保持穩定狀態，不再發生變化。其蠕變變形量遠小于斷裂應變，說明在高溫保載下，瓦塊不發生失效。

【關鍵詞】瓦塊;彈塑性;蠕變;斷裂

中圖分類號： TB301文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）20-0085-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.039

0 引言

燃燒室火焰筒是噴氣式航空發動機中直接與火焰接觸的部件，在其上可以布置隔熱瓦塊進行隔熱保護火焰筒與相連部件的安全。蠕變是材料的固有特性之一，金屬的工作溫度超過其熔化溫度的40%時就會發生蠕變。火焰筒工作時處于高溫、高應力狀態下，所以其材料大部分處于蠕變狀態[1]。由于發動機工作過程中火焰筒會受到大小或方向隨時間變化的循環交變載荷，會引起火焰筒產生裂紋、掉塊等故障[2]。某型商用航空發動機燃燒室火焰筒采用雙層浮動壁結構，浮動瓦塊和承力壁通過螺栓連接。在裝配時，對自鎖螺母施加擰緊力矩。在預緊力作用下，瓦塊根部出現由于裝配應力產生的塑性屈服。因此，在高溫環境下，瓦塊螺栓連接的根部可能出現由于初始裝配應力導致的持久蠕變失效，對火焰筒組件連接可靠性造成威脅。

本文建立了瓦塊組件的持久蠕變強度計算模型，通過計算獲得持久蠕變分析結果，得到高溫下，瓦塊應力和蠕變應變隨時間變化關系，從而判斷浮動瓦塊在高溫下蠕變量，評估是否產生安全性風險。

1 彈塑性模型

預緊裝配下的瓦塊高溫蠕變分析時，預計裝配下可能發生塑性變形，需采用彈塑性模型進行應力應變計算，瓦塊材料彈塑性應力應變曲線如圖1所示。

3 計算分析模型

三維模型如圖3所示，按照真實火焰筒組件試驗件結構進行適當簡化建模，模型中包含承力壁、瓦塊、螺釘和螺母。采用六面體網格。螺母與瓦塊螺釘共節點建為一體，螺母與承力壁，承力壁與瓦塊翻邊采用標準接觸。在瓦塊螺釘上建立預緊力單元，用于施加裝配擰緊力。

對瓦塊和承力壁螺栓連接常溫擰緊裝配力3.2N？m下的變形測量，在裝配擰緊力下進行高溫900℃蠕變分析。

4 蠕變結果分析

火焰筒組件高應力區位于瓦塊螺釘根部，由裝配預緊力產生，如圖4所示。隨著時間增加，火焰筒發生蠕變變形，螺栓根部發生應力松弛，應力隨時間變化如圖5所示。在前5小時內應力下降明顯，應力松弛現象顯著。在50小時以后，應力基本不發生變化。同樣在前5小時內蠕變變形量增加顯著，在50小時以后蠕變變形量基本不再發生變化。

產生該現象說明在預緊裝配應力下，在高溫環境中，隨著時間增加，預緊產生的應力降低，在應力降低的同時，蠕變變形量增加的速率降低，最后應力和蠕變應變保持一個平衡不變狀態。從計算結果可得，蠕變應變量在1.3%達到平衡，該應變量小于瓦塊延伸率，因此不會發生斷裂失效。

整個瓦塊在72小時內蠕變變形量為0.0012mm，主要由于瓦塊螺釘根部產生應力，其他部位應力較小，整個瓦塊蠕變變形量較小。火焰筒壁面裝配的浮動瓦塊數量較多，各瓦塊之間保持有一定間隙，通過蠕變量計算，可為設計提供初始間隙量，以防止瓦塊在高溫環境下，瓦塊和瓦塊之間由于間隙量不夠而發生相對擠壓干涉，從而影響瓦塊使用安全性。

從分析結果可知，在持續高溫環境下，若火焰筒浮動瓦塊只在裝配預緊力下，隨時間增加，應力發生松弛，不會發生蠕變破壞。需在循環-蠕變交互作用下，考慮結構安全性。

5 結論

（1）建立了瓦塊組件的持久蠕變強度計算模型，模型中包含彈塑性和蠕變模型，通過計算獲得持久蠕變分析結果，判斷浮動瓦塊在高溫下蠕變量，評估是否產生安全性風險。

（2）分析結果顯示：在高溫下，由于蠕變作用，隨時間增長，瓦塊發生應力松弛，蠕變變形量增加。在50小時后，應力和蠕變變形量趨于平衡。其蠕變變形量遠小于斷裂應變，說明在蠕變保載下，瓦塊不發生失效。

（3）蠕變分析結果為瓦塊間隙量設計提供參考值，防止瓦塊之間相互干涉擠壓而影響安全性。

【參考文獻】

[1]饒壽期.航空發動機的高溫蠕變分析[J].航空發動機， 2004，30（1）：10-13.

[2]李全通，景小寧.某型發動機火焰筒熱彈塑性/蠕變應力分析[J].燃氣渦輪試驗與研究，1999（1）：40-43.