增壓管路焊縫結構疲勞損傷試驗與數(shù)值分析

吳云峰,李丁丁,張 萌,穆俊宇,于永良

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076； 2.深低溫技術研究北京市重點實驗室， 北京 100761)

1 引言

增壓管路作為運載火箭提供增壓介質流通的通道，是增壓輸送系統(tǒng)的重要組成部分之一。設計過程中需兼顧與推進劑的介質相容性、良好的密封性及結構協(xié)調性，還要保證管路結構在滿足質量要求的情況下有足夠的強度余量，具備較高的結構可靠性。火箭飛行過程往往伴隨著劇烈的振動，對管路中較為薄弱的焊縫結構而言，其疲勞強度設計成為管路設計過程中不可忽視的一環(huán)。

疲勞問題的產生通常是因為受到長周期循環(huán)擾動應力，從而導致危險部位萌生裂紋、擴展直至最終斷裂。疲勞損傷分析方法主要分為基于統(tǒng)計計數(shù)的時域分析法和基于功率譜密度函數(shù)的頻域分析法。頻域法便與有限元方法相結合，因而在工程結構疲勞壽命分析中得到更為廣泛的應用。2011年，婁路亮等對帶有預應力的復雜空間管路開展隨機振動響應分析，給出了不同內壓及安裝方式對管路動特性的影響。2014年，史立濤等綜合考慮材料非線性、幾何非線性和接觸非線性，對含有波紋管的運載器管路在完整工作周期內的疲勞壽命進行計算，并考慮了結構阻尼對振動疲勞壽命的影響。此后，Kumar、Pavithra及王升林等分別使用實驗方法和有限元方法對金屬波紋管的疲勞壽命問題進行了研究。2017年，權凌霄等分析了航空液壓管路在隨機振動載荷作用下的強度特性，結合-曲線對管路結構危險部位疲勞壽命進行了計算。方洪榮等基于Abaqus和Ncode建立了運載火箭典型輸送管路的有限元分析模型，計算了管路結構的頻響特性和隨機振動條件下的疲勞壽命，形成了一套火箭增壓輸送管路疲勞耐久性設計方法和分析流程。

近年來，管路結構疲勞強度設計得到了國內外學者的廣泛關注，但面向焊縫結構的疲勞損傷試驗、仿真聯(lián)合分析與改進研究仍有進一步發(fā)展的空間。本文針對某運載火箭增壓管路焊縫結構泄露問題展開研究。首先，通過熱振聯(lián)合試驗模擬增壓管路在箭上實際工作環(huán)境，暴露管路在熱振載荷下的薄弱部位；其次，對焊縫開裂位置進行掃描電鏡分析、金相分析和顯微硬度測試，判斷其失效模式及開裂原因；然后，通過有限元仿真對增壓管路開裂問題進行復現(xiàn)，進一步驗證微觀檢測結果并據(jù)此提出結構改進方案；最后，對改進后管路再次進行熱振聯(lián)合實驗和有限元仿真分析，驗證焊縫開裂部位疲勞壽命改進方案的有效性。

2 熱振聯(lián)合實驗

箭上增壓管路需承受氣體壓力、低溫和高速氣體沖刷等多種載荷。為考核增壓管路在火箭工作振動環(huán)境下的疲勞強度，對焊接有四通零件的增壓管路開展熱振聯(lián)合實驗。試驗管路系統(tǒng)由管路A、流量計模擬件以及管路B構成，試驗裝置原理見圖1。管系中波紋管材料為022Cr17Ni12Mo2，其他管路元件(如法蘭、四通等)材料為0Cr18Ni9。管系內充高溫510±10 K狀態(tài)的氣體，壓力1.2 MPa(絕壓，下同)。通過實驗裝置對管路施加振動，包括低頻正弦掃描、高頻隨機振動、定頻振動。

為模擬箭上氣壓、氣流載荷和溫度載荷，需將管路系統(tǒng)兩端與高溫加注系統(tǒng)連接。管路A端和卡箍均與地面工裝固定，管路A和管路B通過一對法蘭連接，管路B與發(fā)動機接口端為振動點，按照發(fā)動機艙內導管的工作環(huán)境條件進行振動。

圖1 試驗裝置原理示意圖

試驗前移動固定管路A端與滑動支架的地面工裝，施加系統(tǒng)給定的邊界位移值，并緊固工裝。試驗過程中通過高溫加熱系統(tǒng)對管路內部充壓1.2 MPa，并使得管路溫度上升至510 K。高溫氣體由管路B端進入管路，并由管路A端排出。當管路溫度、壓力穩(wěn)定后，驅動振動臺對管路B端施加相應的振動激勵。試驗時在每條焊縫處均粘貼了應變片，對振動時管路的應變響應進行實時記錄。

增壓管路完成了方向和方向的正弦、隨機、定頻振動試驗，以及方向的正弦試驗，在方向隨機試驗進行過程中發(fā)生氣體泄漏，檢查發(fā)現(xiàn)四通和管路連接焊縫處彎管外側出現(xiàn)裂紋。

管路焊縫開裂部位如圖2所示。宏觀形貌觀測可見：焊縫起收弧及其附近的1 mm厚管熔合線處存在一條周向穿透性裂紋，內、外表面裂紋長度均約為65 mm，其中由一端起長約45 mm位于熔合線上，剩余裂紋擴展至母材，整條裂紋附近內、外表面未見明顯的塑性變形、腐蝕及機械損傷痕跡，未見明顯的焊接缺陷。

圖2 管路焊縫開裂部位裂紋形貌

3 焊縫開裂機理分析

3.1 宏觀形貌分析

采用機械方法將裂紋打開對斷口進行觀察：斷口凹凸不平，斷面有金屬光澤，未見腐蝕、宏觀材料缺陷及機械損傷痕跡，斷口厚度均勻，約1.0 mm；斷口源區(qū)位于外表面熔合線附近長約15 mm范圍內(包含起收弧區(qū))，為線源起裂，沿厚度方向及兩側周向擴展，擴展區(qū)呈放射狀，見圖3。

3.2 金相組織形貌

在開裂焊縫處截取縱剖面試樣進行金相分析，試樣選取位置分別為裂紋源區(qū)(起收弧部位，試樣編為1#)、裂紋尾部(試樣編為2#)及與裂紋呈180°對稱區(qū)域(試樣編為3#)。3個試樣焊縫及母材組織均未見異常，未見明顯焊接缺陷，焊縫兩側母材均未見明顯的錯邊；裂紋由外表面熔合線處起源，沿1 mm厚管母材擴展，形貌見圖4。

圖3 裂紋形貌裂紋斷口宏觀形貌

圖4 顯微組織形貌

3.3 斷口微觀分析

對開裂焊縫進行失效分析，通過掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)整個斷口未見材料缺陷及焊接缺陷，源區(qū)呈磨損形貌，擴展區(qū)呈磨損+疲勞條帶形貌；斷面能譜分析結果表明，開裂位置管路材料含有Fe(主)、Cr(19.1%)、Ni(10.6%)、Ti(0.4%)、Mn(1.6%)、Si(0.6%)元素，主合金元素及含量未見異常，斷口典型微觀形貌及能譜分析圖見圖5。

綜合考慮以上觀察結果，可知增壓管路四通零件與彎管焊接處焊縫在熱振聯(lián)合實驗環(huán)境下的開裂模式為疲勞開裂。

4 增壓管路疲勞損傷仿真分析

獲取增壓管路在熱振聯(lián)合工作環(huán)境下的動強度特性，使用ABAQUS軟件對增壓管路進行CAE仿真，開展針對焊接有四通零件的增壓管路的疲勞壽命計算。

4.1 模型建立

根據(jù)管路取樣件掃描結果對管路幾何模型進行提取(見圖6)。有限元計算采用T-mm-s單位制，用于數(shù)值仿真的材料性能參數(shù)如表1所示。

圖5 裂紋斷口典型微觀形貌及能譜分析圖

圖6 管路幾何模型示意圖

表1 材料性能參數(shù)

按照試驗過程加載載荷條件，對圖6所示管路A端施加指定的邊界位移條件，并在全管系施加1.2 MPa內壓及510 K溫度載荷。隨后，按照火箭真實振動環(huán)境在管路B端依次施加定頻振動和隨機振動激勵。

4.2 計算結果分析

考慮管路真實結構及試驗情況，對焊接有四通零件的增壓管路在試驗歷程中的疲勞損傷情況進行了熱振聯(lián)合仿真分析，提取了不同振動條件下的薄弱位置及疲勞損傷DL值，分析結果見表2。表中焊縫指四通與彎管焊接處的焊縫，彎管指管路中與四通焊接的彎管。

表2 增壓管路熱振聯(lián)合仿真分析結果

分析結果表明：增壓管路中四通零件與彎管焊縫位置是整個管路的薄弱環(huán)節(jié)，該位置在振動過程中的疲勞損傷高于管路其他區(qū)域。此外，相比于隨機振動，定頻振動造成的疲勞損傷較小，該趨勢與振動試驗實時應變測量結果一致。

根據(jù)熱振聯(lián)合有限元仿真分析結果可知，隨機振動造成的疲勞損傷較為顯著，四通零件與彎管焊縫處在各試驗方向形成的疲勞損傷DL值總和為1.27E-2，疲勞強度裕度較小，有較大可能發(fā)生疲勞破壞。仿真分析結果有效預示了增壓管路疲勞強度薄弱位置及破壞模式，與第3節(jié)金相分析、顯微硬度測試結果相吻合，進一步驗證了初始設計狀態(tài)增壓管路熱振聯(lián)合試驗中破壞模式為疲勞開裂的結論。

5 結構改進設計與驗證

根據(jù)實驗考核與仿真分析可知，四通零件與彎管焊接處的焊縫結構較為薄弱，在火箭工作振動環(huán)境下容易發(fā)生疲勞破壞。為此，對四通零件結構形式進行兩處改進。一方面，將四通上與彎管連接端(B端)加長40 mm，同時減短彎管直邊段，將焊縫移動至疲勞損傷量級較大的區(qū)域外；另一方面，對延長段管口進行中間過渡處理，用厚度漸變設計消除初始設計中的邊緣坡口焊縫形式。改進前后四通零件結構形式見圖7(a)、圖7(b)。

圖7 四通零件改進前后結構圖

在相同實驗條件下，對焊接有改進設計結構形式四通零件的增壓管路進行熱振聯(lián)合實驗。試驗時在與焊縫開裂管路對應的位置粘貼了應變片，對管路振動時的應變響應進行實時記錄。對2次試驗應變測量結果進行了比對(見表3)，對比可見：原焊縫開裂位置應變水平明顯降低，未發(fā)生焊縫開裂及氣體泄漏現(xiàn)象，證明四通結構改進措施可有效提升增壓管路疲勞壽命。

表3 管路試驗應變測量結果(隨機振動)(%)

為驗證改進設計狀態(tài)增壓管路的疲勞強度提升效果，在相同的裝配和加載條件下對改進后管路的隨機振動疲勞損傷進行了熱振聯(lián)合有限元仿真分析。提取改進前后管路焊縫和彎管處的均方根應力云圖、應力譜密度曲線及值，結果見表4。

表4 管路試驗應變測量結果(隨機振動)

由仿真分析結果可見，改進后增壓管路四通零件與彎管焊縫處疲勞損傷與彎管處疲勞損傷相當，焊縫處疲勞損傷較改進前下降近2個量級，證明了改進設計狀態(tài)可有效提升增壓管路焊縫處疲勞強度，與熱振聯(lián)合試驗結果一致。

6 結論

從增壓管路焊縫疲勞強度設計需求出發(fā),分別通過熱振聯(lián)合實驗、熱振聯(lián)合有限元仿真分析對焊接有四通零件的增壓管路疲勞壽命進行分析,確定了增壓管路容易發(fā)生疲勞損傷的薄弱焊縫位置,驗證了該位置管路在高頻隨機振動環(huán)境下易發(fā)生疲勞破壞，并通過設計改進有效提升了增壓管路在火箭真實工作環(huán)境下的疲勞壽命。通過試驗，證實了熱振聯(lián)合有限元仿真分析在預示管路疲勞損傷位置和管路疲勞壽命方面的有效性，可供后續(xù)管路產品結構設計和疲勞壽命評估參考。