某活門運動過程裝配間隙中顆粒物對配合面應力影響仿真分析與研究

劉銘 張曉軍 田俊

摘要：某系統上游設備濾網性能衰減導致微小顆粒物進入某活門襯套和活塞桿間，在活門運動過程對活門襯套和活塞桿表面造成損傷。為分析配合面損傷的原因，采用有限元數值計算方法，對位于裝配間隙內的異物顆粒在活門運動過程中對活門配合面的應力應變進行了仿真研究，根據接觸非線性計算出卡滯過程中活塞桿和襯套的配合面應力應變分布，分析出易發生配合面損傷的間隙敏感值。本文為分析預測活門裝配間隙中異物在運動過程對活門表面狀態改變提供技術參考，為卡滯故障分析提供了一種仿真方法。

關鍵詞：卡滯；活門；有限元

Keywords：stuck；valve；FEM

0 引言

某活門為飛機提供傳動控制，活門的活塞桿與襯套以間隙裝配方式配合，工作時活塞桿與襯套按照設計要求發生相對運動[1-2]，其結構如圖1所示。在某活門檢測時發現，由于上游設備濾網柵格尺寸超差，微小異物顆粒進入活門襯套與活塞桿間隙，對活門正常工作效能產生影響，甚至造成活塞桿和襯套表面損傷。本文針對已進入間隙的微小顆粒，采用有限元數值計算方法，對異物顆粒進入活塞間隙后活塞桿和襯套表面力學性能進行分析，根據塑性應變結果分析活門配合面表面損傷敏感區域，進一步研究間隙尺寸數值對活門配合面表面損傷的影響程度，從而為預防活門異物導致的卡滯提供一種仿真分析思路。

1 確定分析條件

本文分別計算了運動過程中顆粒與活塞桿和襯套接觸表面的受力情況，找出顆粒運動過程活塞桿和襯套表面最大應力應變情況，根據金屬材料彈塑性變形行為分析產品表面受損情況。根據實際產品的結構尺寸、裝配特性、檢測顆粒物尺寸和分析計算需要，明確以下條件：1）活塞桿與襯套之間的間隙從A端（0.037mm）線性減少到B端（0.006mm）；2）間隙縮小區域軸向距離為5mm；3）雜質顆粒幾何外形可視為直徑為0.022mm的球形；4）該球形顆粒從A端間隙往B端間隙逐步深入，如圖2所示；5）雜質顆粒的硬度大于活塞桿和襯套的硬度，可視為剛體。

2 建立有限元模型

活塞桿和襯套都為軸對稱結構，根據彈塑性力學原理，可將有限元模型等效為軸對稱平面模型。建立有限元模型包括定義材料屬性、劃分網格、定義顆粒與活塞桿以及顆粒與襯套接觸、定義計算分析步、定義邊界條件、選擇計算方法和時間步參數定義等。

2.1 定義材料彈塑性屬性

在分析活塞桿和襯套與異物顆粒相互作用時，由于異物顆粒的硬度高，因此要考慮活塞桿和襯套金屬材料的彈塑性力學性能。活門活塞桿和襯套材料為高溫合金鋼，其楊氏模量E=2.1x105MPa，泊松比μ=0.3，彈性極限為418MPa，抗拉強度為1040MPa，根據材料手冊查到材料單向拉伸的彈塑性階段的應力應變過程數據[3]，如圖3所示。

2.2 劃分網格

根據顆粒與活門配合面的非線性接觸的要求，選擇能克服剪切自鎖的四節點雙線性非協調單元對活塞桿和襯套進行網格劃分，在劃分網格時考慮通過合理的局部網格細分、優化單元尺寸，提高異物顆粒與活門非線性接觸分析的計算收斂性[4] 。在顆粒從A端往B端運動過程，根據顆粒尺寸與活門裝配間隙單調遞減的關系，對顆粒與活塞桿和襯套實際開始接觸的區域進行細分，將接觸區域網格大小設定為顆粒尺寸的1/3至1/5。

2.3 定義接觸和計算步驟

首先，根據運動過程分別建立顆粒與活塞桿、顆粒與襯套之間運動過程中接觸屬性、接觸主面和接觸從面。其次，根據該問題的計算類型定義合理的計算步驟。由于本分析包含材料、幾何和接觸的非線性問題，為保證非線性計算的穩定性和收斂性，根據顆粒尺寸與間隙大小的幾何關系將計算分為兩個計算步進行。第1計算步中，間隙大小大于顆粒尺寸。在該計算步結束前，顆粒已經分別與活塞桿、襯套表面存在微小的過盈量，開始建立平穩的接觸。第2個計算步中，基于第1步建立的接觸關系，穩步計算顆粒相對運動過程中的活塞桿和襯套的應力應變，如圖5所示。

3 結果分析

計算結果表明：1）顆粒從A端開始運動，到C端與活塞桿和襯套接觸，在C、B端之間運動終止；2）從與活塞桿和襯套建立接觸關系直到運動終止，顆粒的位移為0.276mm；3）運動終止時，顆粒對活塞桿和襯套表面分別造成了大于6.1μm深度的壓痕；4）運動終止時，活塞桿表面最大應力達到1285MPa，超過材料的屈服極限和抗拉強度極限，進入塑性變形階段，可能對表面造成損傷；5）顆粒與活塞桿、襯套接觸后，隨著顆粒持續移動，活塞桿、襯套表面的最大應力、等效塑性應變隨之增加。顆粒沿軸向上達到不同位移時，活塞桿、襯套的等效應力和等效塑性應變如圖6、圖7所示；6）從顆粒剛開始與活塞桿和襯套接觸至運動終止過程中，隨著顆粒逐漸向更小間隙方向運動，顆粒對活塞桿和襯套表面塑性應變影響區域逐步增加，最后對活塞桿和襯套表面形成一道沿著運動方向的損傷，如圖8所示；7）顆粒與活塞桿、襯套接觸后，隨著顆粒位移增加，顆粒反力最大值呈指數增長。在運動終止位置，顆粒承受的反力大于14N，該反力可近似理解為活門配合面對顆粒的運動摩擦反力，如圖9所示。

4 總結

本文采用非線性有限元計算方法對顆粒進入活塞桿與襯套之間的間隙的運動過程進行力學仿真，有限元仿真計算結果表明：1）顆粒運動可導致活塞桿和襯套表面產生沿顆粒運動相反方向的塑性變形痕跡，運動停止時活塞桿和襯套表面最大Mises應力均超過塑性強度，表面區域最大塑性應變超過40%，足以造成活塞桿和襯套表面長度大于顆粒直徑尺寸的塑性變形；2）當直徑大小為0.022mm的球形顆粒落入0.006～0.037mm間隙，在滿足力平衡和計算收斂性條件下，顆粒運動到2.696mm后運動終止；在運動終止位置，顆粒承受的來自活門配合面的反力大于14N。觀察產品發生的實際現象，運動停止后活塞桿和襯套表面不再進一步發生彈塑性變形。基于塑性力學原理，仿真計算的運動終止狀態可理解為實際發生卡滯的狀態。本文為預測活門裝配間隙中異物在運動過程對活門表面狀態改變提供了技術分析方法，也為卡滯故障提供了一種新的分析思路。

參考文獻

[1] 陳明祥.彈塑性力學[M].北京：科學出版社，2007.

[2] 余壽文，馮西橋.損傷力學[M].北京：清華大學出版社，1997.

[3] 《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊（第2版）[M].北京：中國標準出版社，2001.

[4] 陳剛，陳忠富，等.45鋼動態塑性本構參量與驗證[J].爆炸與沖擊，2005（25）5：451-456.

[5] 葛建立，楊國來.基于彈塑性接觸/碰撞模型的彈炮耦合問題研究[J].彈道學報，2008（20）3：103-106.

作者簡介

劉銘，工程師，主要從事飛機修理技術研究。

張曉軍，工程師，主要從事航空維修工程管理及科研生產質量管理。

田俊，高級工程師，主要從事結構設計與性能分析技術研究。