某型油箱疲勞壽命估算

張里偉，黃曉霞，胡益富，熊 盼

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

飛機油箱在飛行過程中處于非常復雜的動力學環境中，除了受到機體傳遞到油箱結構上的振動載荷外，飛機執行大過載機動、著陸、起降等動作時，油箱結構還會受到內部燃油的沖擊載荷作用。這種復雜的力學環境給油箱結構的安全帶來了不利影響。通常，可以通過試驗技術和仿真分析技術對油箱結構在復雜力學環境下的安全可靠性進行評估。然而試驗不僅耗費巨大，而且在試驗過程中伴隨著巨大的風險，因此有必要對油箱振動問題進行動力學分析，并估算其使用壽命。

某型號油箱在振動臺井字形支架上進行振動試驗，試驗進行到19小時左右時，油箱橫向隔板開孔處發生破壞。而油箱在該工況下的設計使用壽命為30小時。本文利用MSC/Patran軟件建立某型油箱試驗模型，并進行動力學分析，采用名義應力法和線性累積損傷理論估算油箱危險部位的疲勞壽命，為后續設計的改進提供參考。

1 油箱動力學模型建立

1.1 油箱網格劃分

試驗油箱主要由外蒙皮及內部橫、豎隔板組成，隔板上開有通油孔，油箱整體為對稱結構，如圖1所示。油箱總容量為30升，試驗時油箱中充有三分之二的水。油箱外蒙皮典型厚度為1.0mm和1.2mm，材料為LF2，LF2材料彈性模量為71000MPa，泊松比為0.33，密度為2680kg/m3；油箱內部隔板典型厚度為0.8mm和1.0mm，材料為LF21，LF21材料彈性模量為71000MPa，泊松比為 0.33，密度為 2730kg/m3。

根據油箱結構承力方式建立油箱整體有限元模型，油箱內部隔板有限元模型如圖2所示。

1.2 油箱液體的處理

現階段包含流體的結構動力學問題常采用的方法有：虛擬質量法、附加質量法以及流固耦合法等。結合現有軟件、計算規模和實施難度，本文采用只考慮流體質量影響的附加質量法進行分析。

圖1 油箱結構示意圖

圖2 油箱有限元模型

試驗時油箱中充有三分之二的水，經容積計算得水深度約為267mm。即在有限元模型中共淹沒7432個節點，在這些節點處創建質量單元，每個單元質量為0.00359kg，如圖3所示。

圖3 附加質量法新增質量單元示意圖

1.3 油箱載荷及約束

試驗時油箱放置于振動臺的井字形支架上，再通過兩根尼龍帶進行固定。底部施加幅值為0.3mm，頻率為35Hz的正弦激勵。固定有限元模型中綁帶處約束X、Y、Z三個方向位移，在底部井字形支架處施加與試驗相同的正弦激勵。

2 油箱動力學分析

本文利用Nastran軟件計算油箱模型在正弦激勵下的瞬態響應，考慮到計算規模，僅計算0.2s，取結構阻尼0.2。經計算，可得到油箱隔板各典型位置處隨時間變化的位移、應變及應力；典型位置根據試驗數據進行選取，其在有限元模型中的節點標識如圖4、圖5所示，應力時間曲線結果如圖6～圖9所示，從曲線可知應力穩定后為周期變化。

圖4 油箱橫向隔板典型位置節點標識

圖5 油箱縱向隔板典型位置節點標識

圖6 Node 3372復合應力時間曲線

圖7 Node 2517復合應力時間曲線

圖8 Node 10194應力時間曲線

圖9 Node 11217應力時間曲線

由圖6～圖9可知，節點3372和節點11217應力水平較高，選取這兩處位置進行壽命估算分析。節點3372處最大主應力、最小主應力如圖10、圖11所示；節點11217處最大主應力、最小主應力如圖12、圖13所示。

圖10 Node 3372最大主應力時間曲線

圖11 Node 3372最小主應力時間曲線

圖12 Node 11217最大主應力時間曲線

圖13 Node 11217最小主應力時間曲線

3 危險點壽命估算

由圖10～圖13及有限元模型可知，典型位置處節點3372和節點11217應力水平見表1。

表1 危險點應力水平

根據上述計算結果，采用名義應力法和線性累積損傷理論估算危險點的壽命。由于試驗載荷為幅值0.3mm，頻率35Hz的正弦激勵，故認為危險點處載荷譜為等幅譜，且1s作為一塊，級數為1，共35個頻次。由于缺乏LF21的S-N曲線數據，本文采用LY12替代。估算疲勞壽命時考慮分散系數為4，經計算節點3372共357142塊，則壽命為89286s,即24.8小時；節點11217共357142塊，則壽命為89286s,即24.8小時。

壽命估算說明油箱設計無法滿足30小時壽命的設計要求。試驗進行到19小時，在節點3372附近發生破壞，與估算值相近。

4 結論

以附加質量法為基礎，針對含三分之二容積水的油箱建立動力學模型，進行了瞬態分析和壽命估算，暴露了結構的振動危險部位，對試驗的驗證及設計的改進具有指導意義。