超高壓吹氣噴嘴有限元仿真分析

彭建華 劉 波 信義兵 馮 帆 譚 慶

（1.湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湘潭 411207；2.武漢高德紅外股份有限公司，武漢 430070）

1 吹氣噴嘴設(shè)計分析

如圖1所示，吹氣噴嘴整體呈圓柱形，尾端通過梯形左旋螺紋與身管連接，螺紋升角小于3.5°。

圖1 吹氣噴嘴結(jié)構(gòu)簡圖

吹氣噴嘴前端為錐形凹坑結(jié)構(gòu)。吹氣噴嘴中部為鼓形內(nèi)腔，呈現(xiàn)中間直徑大、兩端直徑小的構(gòu)型[1]。高壓氣體進(jìn)入該腔室后膨脹，在撞擊到錐形凹坑背面時給吹氣噴嘴一個沿身管軸線方向指向前端的推力，達(dá)到減小沖擊力的目的。另外，鼓形膨脹腔的外側(cè)切了8條斜槽，作用是高壓氣體作用在斜槽端面時會給吹氣噴嘴施加一個沿X軸的扭矩[2]。該力矩方向與將吹氣噴嘴擰緊在身管上的旋向相同，確保在工作過程中吹氣噴嘴與身管的可靠連接。從工藝角度分析，利用常規(guī)的車削、銑削、鏜孔以及線切割等加工方式即可完成該裝置的加工，無復(fù)雜結(jié)構(gòu)，工藝性較好[3]。

2 有限元仿真分析

根據(jù)吹氣噴嘴的特點建立有限元仿真模型，選取切削性能較好的45CrNiMoVA材料作為吹氣噴嘴的材 料，45CrNiMoVA材 料 密度 為7.83×103kg·m-3，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。網(wǎng)格采用C3D8四面體單元，螺紋處添加固定約束，鼓形內(nèi)腔和錐坑施加10 MPa壓強。仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。環(huán)切斜槽根部為最大應(yīng)力區(qū)域，最大全等效應(yīng)力為600 MPa，在材料的彈性變形范圍內(nèi)。需要指出的是，斜槽根部的高應(yīng)力主要是由于結(jié)構(gòu)連接處無平滑過渡引起的應(yīng)力集中，在生產(chǎn)實踐中對這些區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡菇呛偷箞A角能避免該現(xiàn)象的發(fā)生[4-7]。

3 壽命預(yù)測

吹氣噴嘴屬于泄壓裝置的關(guān)鍵零部件，在反復(fù)的使用過程中承受著較大的載荷和劇烈的沖擊振動，會出現(xiàn)疲勞斷裂破壞[8-12]。為確保工作過程中的安全性，需要在強度校核的基礎(chǔ)上評估吹氣噴嘴的使用壽命[13-15]。采用S-N方法對吹氣噴嘴相應(yīng)位置施加循環(huán)載荷，安全系數(shù)選取為3。結(jié)果表明，失效區(qū)域最先出現(xiàn)在環(huán)切斜槽根部，吹氣噴嘴最低壽命為25萬次，滿足設(shè)計和使用要求。

圖2 應(yīng)力云圖

圖3 應(yīng)變云圖

圖4 吹氣噴嘴使用壽命仿真框圖

4 結(jié)語

在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種兼具減小沖擊力、消旋功能的吹氣噴嘴，結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好。仿真分析表明，結(jié)構(gòu)的剛度和強度滿足高膛壓使用環(huán)境下的剛度和強度，裝置壽命預(yù)計為25萬次，滿足設(shè)計要求。提出的吹氣噴嘴具備進(jìn)一步實施工程實踐的理論基礎(chǔ)。