液壓機(jī)械裝置壓力循環(huán)數(shù)值仿真與試驗(yàn)研究

徐瑀童,朱 赟,盛 峰

(中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所, 江蘇 無錫 214000)

0 引言

航空發(fā)動機(jī)液壓機(jī)械裝置如燃油泵調(diào)節(jié)器、燃油活門組件、導(dǎo)葉作動筒等是航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分[1]。實(shí)際工作過程中受飛行工作循環(huán)影響,液壓機(jī)械裝置殼體在壽命期內(nèi)會受到壓力循環(huán)載荷作用,可能出現(xiàn)疲勞失效,進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)失控,嚴(yán)重影響飛行安全。飛行工作循環(huán)過程中殼體承受的實(shí)際壓力載荷復(fù)雜無律,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下很難模擬,且全壽命驗(yàn)證周期長。因此,有必要對航空發(fā)動機(jī)液壓機(jī)械裝置殼體壓力循環(huán)壽命數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證方法進(jìn)行研究,采用適用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的簡單規(guī)律的載荷譜等效替代實(shí)際載荷,并加速驗(yàn)證縮短驗(yàn)證周期。本文中給出了液壓機(jī)械裝置壓力循環(huán)壽命數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證流程,并以某型燃油活門組件為例,基于Workbench分析平臺建立了壓力循環(huán)壽命數(shù)值仿真模型,通過該模型對壓力循環(huán)載荷譜進(jìn)行了等效簡化,采用仿真驗(yàn)證結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的形式完成了改型燃油活門組件壓力循環(huán)數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證,并證明了方法的有效性。

1 壓力循環(huán)壽命數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證流程

液壓機(jī)械裝置壓力循環(huán)壽命數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證流程如圖1所示。

圖1 壓力循環(huán)壽命數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證流程Fig.1 Pressure cycling life numerical simulation and test verification procedure

首先以分析對象3D數(shù)模、材料參數(shù)和載荷信息為輸入建立壓力循環(huán)壽命仿真模型,仿真模型包括靜力分析模型和疲勞分析模型。以建立的仿真模型為基礎(chǔ),根據(jù)分析對象的實(shí)際運(yùn)行載荷,確定等效壓力循環(huán)載荷譜。將確定的等效壓力循環(huán)載荷譜輸入至仿真模型,進(jìn)行壓力循環(huán)壽命仿真驗(yàn)證,如果仿真結(jié)果符合分析對象設(shè)計(jì)要求,繼續(xù)進(jìn)行壓力循環(huán)壽命試驗(yàn)驗(yàn)證,否則需改進(jìn)設(shè)計(jì)重新開始流程;如果試驗(yàn)結(jié)果符合分析對象設(shè)計(jì)要求,可認(rèn)為通過壓力循環(huán)壽命數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證,否則需改進(jìn)設(shè)計(jì)。由于壓力循環(huán)壽命試驗(yàn)屬于破壞性試驗(yàn),因此先仿真驗(yàn)證通過后再進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,減少驗(yàn)證成本。

本文中采用上述驗(yàn)證流程對某型燃油活門組件進(jìn)行了壓力循環(huán)壽命數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 壓力循環(huán)壽命數(shù)值仿真模型建立

壓力循環(huán)壽命數(shù)值仿真時(shí),首先進(jìn)行建立靜力分析模型,再以靜力分析結(jié)果為輸入,進(jìn)行疲勞壽命分析。

2.1 靜力分析模型

將該型燃油活門組件的UG模型導(dǎo)入到Workbench靜力分析模塊中。分析對象結(jié)構(gòu)材料為3D打印鋁合金材料,材料牌號為AlSi10Mg,該材料的彈塑性基本參數(shù)和疲勞性能參數(shù)分別如表1和表2所示,其中,疲勞性能參數(shù)在應(yīng)力比為0、存活率為50%的條件下測得。

表1 AlSi10Mg彈塑性參數(shù)Table 1 AlSi10Mg elastic-plastic parameters

表2 AlSi10Mg S-N曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 AlSi10Mg S-N curve data

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù),擬合AlSi10Mg的S-N曲線表達(dá)式為:

(S-86.75)2.114 6·N=5×107

將AlSi10Mg的各材料性能參數(shù)寫入至Workbench材料庫,并將寫入的材料屬性賦予至建立的分析模型,然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分,建立的有限元模型和網(wǎng)格劃分情況如圖2(a)所示,共有554 788個(gè)單元、830 447個(gè)節(jié)點(diǎn)。在分析對象內(nèi)表面施加方向垂直于內(nèi)表面向外大小的均布載荷,載荷大小依據(jù)分析對象技術(shù)要求或?qū)嶋H運(yùn)行情況確定,并在各與工裝連接的螺紋處施加等效反作用力,同時(shí)根據(jù)安裝情況在試驗(yàn)件安裝耳處施加位移約束,載荷施加和約束情況如圖2(b)所示。采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行靜力分析[2]。

圖2 網(wǎng)格劃分和載荷約束施加Fig.2 Mesh generation and load constraint imposition

2.2 疲勞壽命分析模型

將靜力分析結(jié)果導(dǎo)入到nCodeDesignlife中進(jìn)行疲勞壽命分析[3],搭建的分析界面框圖如圖3所示。包括靜力分析結(jié)果輸入、疲勞載荷譜輸入、材料參數(shù)設(shè)置、結(jié)果輸出等4大模塊。分析對象為復(fù)雜殼體結(jié)構(gòu),因此需要采用等效應(yīng)力準(zhǔn)則進(jìn)行多軸應(yīng)力分析用于疲勞壽命計(jì)算[4]。本文中選用SignedVonMises應(yīng)力組合方法[5],表達(dá)式為:

圖3 疲勞壽命分析框圖Fig.3 Fatigue life analysis block diagram

(1)

式中:σSVM為等效應(yīng)力;σAMP為最大主應(yīng)力。

根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際情況和載荷工況,設(shè)置材料屬性為良好的機(jī)加工(Machined),選用Standard SN分析方法[6]。由于本文中材料參數(shù)在存活率為50%和應(yīng)力比為0的條件下測得,設(shè)置存活率為50%,并不再進(jìn)行Goodman平均應(yīng)力修正[7-8]。最后設(shè)置單次循環(huán)載荷譜輸入,提交分析計(jì)算。

3 壓力循環(huán)載荷譜分析和簡化

3.1 典型飛行循環(huán)載荷分析

由于本文中所分析燃油活門組件尚處研發(fā)階段,缺少裝機(jī)實(shí)際服役數(shù)據(jù),選取某成熟型號液壓機(jī)械裝置為分析對象用于等效壓力循環(huán)載荷譜分析。對其某次典型飛行循環(huán)的壓力載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行提取,提取結(jié)果如圖4所示。該飛行循環(huán)中,壓力載荷在起飛階段達(dá)到峰值7.22 MPa,飛行過程中壓力載荷變化復(fù)雜無規(guī)律,且不同飛行循環(huán)中壓力載荷存在差異,難以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。因此,需對壓力載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖4 單次壓力循環(huán)數(shù)據(jù)Fig.4 Single pressure cycling data

對該飛行循環(huán)壓力載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)分析[9-10],分析結(jié)果如圖5所示。由于應(yīng)力變化范圍為影響結(jié)構(gòu)疲勞壽命的首要因素,因此,以壓力變化幅值作為評價(jià)載荷等級的依據(jù)[11]。最高載荷等級僅出現(xiàn)一次,壓力變化幅值為7.22 MPa,平均壓力大小為3.67 MPa,出現(xiàn)頻率小于0.1%,與該飛行循環(huán)壓力載荷的壓力峰-峰值一致。次高載荷等級壓力變化幅值為4.04 MPa,僅為最高載荷等級對應(yīng)壓力變化幅值的56.0%。高頻率載荷多集中于壓力變化幅值0.1 MPa以下。

圖5 雨流計(jì)數(shù)分析Fig.5 Rain flow count analysis

3.2 壓力循環(huán)載荷譜簡化

將上述單次飛行循環(huán)壓力載荷代入至上文中的壓力循環(huán)壽命數(shù)值仿真模型中,計(jì)算得到在該飛行循環(huán)壓力載荷作用下,壓力循環(huán)壽命為13 930次。根據(jù)Miner累積損傷準(zhǔn)則[12],單次該飛行循環(huán)壓力載荷作用后,造成的結(jié)構(gòu)累積損傷值為[13]:

(2)

式中:Nf(S)為單次該飛行循環(huán)壓力載荷作用下的循環(huán)壽命;Nf(Si)為單次該飛行循環(huán)載荷雨流分析得到的各等級壓力載荷作用下的循環(huán)壽命。

將雨流計(jì)數(shù)分析中得到的最高載荷等級帶入壓力循環(huán)數(shù)值仿真模型中,計(jì)算得到對應(yīng)的壓力循環(huán)壽命為13 950次,造成的結(jié)構(gòu)累積損傷值為7.168×10-5,對單次飛行循環(huán)壓力載荷累積損傷貢獻(xiàn)度為99.86%。因此,可將單次飛行循環(huán)壓力載荷簡化為其最高載荷等級的壓力循環(huán)載荷,用于壓力循環(huán)壽命數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 壓力循環(huán)壽命數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 壓力循環(huán)壽命符合性仿真驗(yàn)證

本文中選用的某型燃油活門組件設(shè)計(jì)要求最大工作壓力為12 MPa,根據(jù)上文的論述,可采用壓力變化幅值為12 MPa的壓力循環(huán)載荷進(jìn)行壓力循環(huán)壽命數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。考慮到在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,壓力循環(huán)載荷低限很難完全降至0 MPa,因此,引入0.5 MPa低限壓力并保持壓力變化幅值不變進(jìn)行偏保守驗(yàn)證,即壓力循環(huán)載荷范圍為0.5～12.5 MPa。將該載荷輸入至壓力循環(huán)壽命仿真模型,進(jìn)行靜力分析,靜力分析應(yīng)力云圖如圖6所示,計(jì)算得到最大應(yīng)力為251 MPa。

圖6 靜力分析云圖Fig.6 Static analysis cloud image

將靜力分析結(jié)果作為輸入進(jìn)行疲勞壽命分析,計(jì)算得到的壓力循環(huán)疲勞損傷云圖和壽命云圖分別如圖7(a)和圖7(b)所示,計(jì)算得到的壓力循環(huán)壽命為6 091次。本文中選用的該型燃油活門組件設(shè)計(jì)要求壽命為5 000次飛行循環(huán),因此根據(jù)數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果,該型燃油活門組件壓力循環(huán)壽命設(shè)計(jì)符合要求,無需重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可用于開展試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖7 疲勞壽命計(jì)算結(jié)果Fig.7 Fatigue life calculation results

4.2 壓力循環(huán)壽命符合性試驗(yàn)驗(yàn)證

采用電液伺服加載方案為試驗(yàn)件提供壓力循環(huán)載荷。根據(jù)該型燃油活門組件設(shè)計(jì)要求壽命(5 000次飛行循環(huán)),在0.5～12.5 MPa壓力循環(huán)載荷作用5 000次后不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效,即可認(rèn)為該型燃油活門組件的壓力循環(huán)壽命符合設(shè)計(jì)要求。國內(nèi)相關(guān)研究[14-15]表明,如試驗(yàn)過程中無明顯溫升,加載頻率對結(jié)構(gòu)的疲勞壽命無明顯影響。綜合考慮循環(huán)載荷控制精度和試驗(yàn)周期,本試驗(yàn)載荷頻率設(shè)置為5 Hz。

試驗(yàn)全程對試驗(yàn)件內(nèi)部施加0.5～12.5 MPa的壓力循環(huán)載荷,并對試驗(yàn)件內(nèi)部的壓力進(jìn)行監(jiān)控。施加至5 000次循環(huán)時(shí)的壓力監(jiān)控情況如圖8所示,壓力循環(huán)載荷施加情況穩(wěn)定,且未發(fā)現(xiàn)燃油泄漏和試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)失效。因此,可認(rèn)為該型燃油活門組件的壓力循環(huán)壽命符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 壓力循環(huán)載荷施加Fig.8 Pressure cycling loading

4.3 數(shù)值仿真結(jié)果評估

為對該型燃油活門組件的實(shí)際壓力循環(huán)壽命進(jìn)行摸底,并對本文中的壓力循環(huán)壽命仿真模型有效性進(jìn)行驗(yàn)證,在完成壓力循環(huán)壽命數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證后,繼續(xù)施加0.5～12.5 MPa的壓力循環(huán)載荷,直至試驗(yàn)件出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效。在施加28 035次壓力循環(huán)載荷后,試驗(yàn)件內(nèi)部壓力開始發(fā)生明顯變化,如圖9所示,經(jīng)檢查,試驗(yàn)件出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效,如圖10所示。

圖9 失效時(shí)壓力變化Fig.9 Pressure change during failure

圖10 失效位置Fig.10 Failure location

根據(jù)上文,該燃油活門組件殼體在0.5～12.5 MPa壓力循環(huán)載荷作用下的仿真預(yù)測壽命為6 091次,試驗(yàn)實(shí)際壓力循環(huán)壽命為28 035次,仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差5倍以內(nèi)?？紤]到疲勞問題自身的離散性,可認(rèn)為通過本仿真模型可對該燃油活門組件殼體的壓力循環(huán)壽命進(jìn)行偏保守預(yù)測。同時(shí),分析對象失效位置和形式的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本一致,均為燃油活門組件殼體安裝腳處開裂且緊固螺栓與殼體接觸處損傷。因此,通過本仿真模型可有效預(yù)測壓力循環(huán)失效位置和形式。

5 結(jié)論

通過本文中的研究,可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1) 可將單次飛行循環(huán)壓力載荷簡化為其最高載荷等級的壓力循環(huán)載荷用于壓力循環(huán)壽命數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證;

2) 通過本文中給出方法,可有效對液壓機(jī)械裝置壓力循環(huán)壽命符合性進(jìn)行驗(yàn)證;

3) 通過本文中建立的壓力循環(huán)壽命仿真模型,可對結(jié)構(gòu)的壓力循環(huán)壽命進(jìn)行偏保守預(yù)測,并有效預(yù)測壓力循環(huán)失效位置和形式,為結(jié)構(gòu)壓力循環(huán)壽命設(shè)計(jì)提供參考。