基于有限元方法的某型機應急動力系統管路法蘭卡箍疲勞壽命分析

劉吉 田俊 徐文娟 潘浩

摘要：某型飛機應急動力系統管路法蘭卡箍出現裂紋，給飛行安全帶來嚴重隱患。為分析卡箍箍帶裂紋產生原因，采用有限元方法進行靜載分析，計算出靜載荷作用下卡箍的應力分布，再基于靜載分析結果進行疲勞仿真分析，得到其整體壽命分布及疲勞危險區域分布狀況。將計算結果與實際發現的疲勞裂紋處進行對比，驗證了疲勞分析的有效性，并根據有限元分析結果提出改善箍帶疲勞特性的結構方案，可為相似零部件的疲勞性能分析及改善提供參考。

關鍵詞：卡箍；疲勞分析；有限元方法

Keywords：hoop；fatigue analysis；finite element method

0 引言

某型飛機應急動力系統是一個雙能源的動力系統，為飛機提供應急液壓能和應急電能。應急動力系統在發動機到渦輪動力裝置的引氣管上安裝了多個法蘭卡箍，卡箍用于連接引氣管路及引氣單向活門、引氣關斷調節閥，起到緊箍作用。在飛機大修時，維修人員發現該卡箍存在螺栓螺紋損壞、箍帶折彎處外表面裂紋，其中，箍帶折彎處外表面裂紋較普遍，如圖1所示。若在使用中卡箍因箍帶裂紋造成引氣管路漏氣，將給飛行安全帶來嚴重隱患，為此需對卡箍箍帶裂紋的產生原因進行分析。

1 基于有限元的疲勞壽命分析

1.1 疲勞積累損傷原理

1.2 分析流程

采用有限元法進行疲勞分析的基本思路為：首先進行靜強度分析，算出結構在靜載荷作用下的應力分布；然后定義疲勞的載荷譜、材料循環特性，根據所需的疲勞準則對每一個載荷作用進行分析計算[4]；最后根據累計損傷理論判斷疲勞損傷情況。分析流程如圖2所示。由于結構受力狀態為復雜應力狀態，而在實驗中測得的結構材料S-N曲線是在單軸拉伸狀態下獲得的，因此常采用最小能量屈服準則或其他等效準則，將所研究的疲勞點上的復雜應力用一個等效應力替代，可參照材料S-N曲線進行疲勞壽命評估，這種方法稱為應力—壽命法[1-3]。需要注意的是，該方法不嚴格區分裂紋產生和裂紋擴展[5]，而是重點關注結構發生疲勞失效前的壽命預估。

2 仿真計算

2.1 有限元模型建立

卡箍箍帶材料為高溫合金鋼，彈性模量為2.11GPa，泊松比為0.3，固溶處理狀態的材料彈性極限為418MPa，材料進入塑性階段的真實應變和塑性應變曲線[6]如圖3中a）所示。根據箍帶結構特性采用殼單元劃分網格，如圖3中b）所示。對工作狀態的卡箍緊固處尺寸進行多次測量，根據平均值定義卡箍箍帶的位移邊界條件。

2.2 靜載荷作用下強度分析

采用有限元方法對卡箍箍帶進行靜載荷作用的強度分析，研究其在緊固法蘭盤過程中的應力分布情況，如圖4中a）所示，塑性變形區域如圖4中b）所示。從卡箍箍帶的應力云圖可觀察出箍帶折彎A區域外表面的局部區域的最高應力超過600MPa，該部位已經產生塑性變形。

2.3 疲勞仿真分析

假設有一個平均值等于靜載載荷大小、幅值為0.5倍平均值的正弦載荷作用于箍帶，作為疲勞的載荷歷程。定義材料參數、疲勞載荷譜以及表面粗糙度后，進行疲勞計算。預測的壽命結果采用對數表示，結構疲勞壽命N與有限元仿真計算輸出結果S的關系為S=lgN，折算成循環次數為10N次。卡箍疲勞壽命分布如圖5所示，圖中藍色框線畫出部位的預測壽命為次循環，藍色橢圓環出的局部區域為箍帶折彎A區域外表面位置，預測壽命最小為103.308=2032次循環，明顯低于該卡箍的大部分區域，將先于其他部分發生疲勞破壞。該仿真分析結果與卡箍上裂紋實際位置一致，驗證了采用有限元方法進行疲勞分析的有效性。

3 結構優化設計分析

根據對現有卡箍產品的強度計算及疲勞仿真結果，提出一種改善疲勞敏感區域性能的卡箍箍帶設計方案，改進結構如圖6所示。改進結構針對現有產品應力敏感區域結構特征，采用更為平滑的過渡結構。采用相同的方法進行靜載荷分析，等效原折彎處A區域的最大應力不超過430MPa，改善結構中的最大應力為局部尖角區域，根據奇異性理論直角處應力可忽略不計[7]，如圖6中a）所示。疲勞仿真分析的結果顯示，等效原結構折彎處部位預測壽命最小為104.376=23768次循環，如圖6中b）所示。通過有限元疲勞分析證明改進結構可明顯提高箍帶的抗疲勞性能。

4 結論

本文以某型機應急動力系統管路卡箍為研究對象，采用有限元方法計算卡箍靜載荷作用下的應力分布，使用疲勞分析方法進行卡箍疲勞分析得到卡箍的壽命分布，結果表明箍帶低壽命區域分布在箍帶折彎外表面位置，與產品發生實際發生裂紋的位置吻合，驗證了基于有限元方法分析箍帶結構疲勞性能的有效性。基于對原箍帶結構的有限元疲勞分析結果，對箍帶結構進行了提高疲勞特性的優化設計與分析。

參考文獻

[1]姚衛星.結構疲勞壽命分析[M].北京：國防工業出版社，2003.

[2]曾春華，鄒十踐. 疲勞分析方法及應用.第1版[M].北京：國防工業出版社造，2012.

[3]程育仁. 疲勞強度[M].北京：中國鐵道出版社，1990.

[4]肖曉輝，吳功平.塔式起重機疲勞載荷譜的編制[J].應用力學，2003（12）：86-88.

[5]王進.基于有限元法的塔式起重機鋼結構疲勞壽命研究[D].重慶：重慶大學，2005.

[6]《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.

[7] 陳玉發. 鋁合金車輪的有限元分析與疲勞壽命預測[D].南京：南京理工大學，2008.

作者簡介

劉吉，高級工程師，主要從事飛機結構修理技術研究。

田俊，博士，高級工程師，主要從事結構設計與性能分析技術研究。

徐文娟，助理工程師，主要從事航空維修工程管理及科技管理。

潘浩，助理工程師，專業領域為數字化測量技術研究。