呂 頌, 楊 博, 沈 躍, 陳國棟

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所， 遼寧 沈陽 110015)

鈑金類零部件的設計是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設計領域內(nèi)不可或缺的重要組成部分，而基于數(shù)字化造型、仿真及制造(CAD/CAE/CAM)的鈑金結(jié)構(gòu)件應用對集成產(chǎn)品應用技術(shù)的發(fā)展進行了有效的補充與完善.國內(nèi)多位科研人員正致力于該方面的研究工作.王紅濤等[1]利用SolidWorks軟件二次開發(fā)接口，實現(xiàn)了鈑金件的展開繪圖和中間件模塊建模開發(fā).秦海峰等[2]在CATIA平臺上開發(fā)了基于特征與知識的航空鈑金設計系統(tǒng).劉志紅等[3]研究了板厚、坡口角度及焊縫等對鈑金件展開的影響，并在AutoCAD中自動繪制鈑金圖.李鐵鋼[4]提出了基于UG的鈑金件集成數(shù)字化制造的技術(shù)流程體系，并提出了零件曲面的展開方法.杜文忠[5]較為全面地介紹了UG軟件在鈑金設計及制造中的應用.李淑萍等[6]開發(fā)了一種算法，基本消除了鈑金展開件在成型過程中以及展平過程中的變形.黃俊波等[7]分析了計算機輔助設計與制造在飛機鈑金加工中的應用.綜上所述，鈑金類零部件的設計與加工在工業(yè)化較為發(fā)達的今天應用十分廣泛，涉及汽車、航空、航天、鐵路、船舶、通信、醫(yī)療器械等多個軍用及民用領域，然而其在航空領域的應用大多停留在飛行器蒙皮的造型及加工方面，在航空動力方面的應用較少.事實上在航空發(fā)動機地面零部件試驗研究領域，試驗工裝的大部分結(jié)構(gòu)都是由鈑金件構(gòu)成.因此，本文以航空發(fā)動機渦輪葉片冷卻效果試驗為例，詳細介紹鈑金件在試驗工裝中的設計與應用.

1 冷卻效果試驗工裝內(nèi)外套的設計背景與應用

航空發(fā)動機渦輪葉片冷卻效果試驗是零部件地面試驗的重要組成部分，通過該類試驗可以得到渦輪葉片表面的壁溫分布情況及冷卻效果無量綱參數(shù)值，從而驗證冷卻結(jié)構(gòu)的設計是否達到了預期目標，為葉身表面熱應力等強度估算打下重要基礎.航空發(fā)動機燃燒室的出口溫度接近2000 ℃，即使經(jīng)過滿足相似準則的模擬化處理，一般也不會低于1000 ℃.這給地面零部件試驗設計帶來了極大的挑戰(zhàn).通常情況下航空發(fā)動機渦輪冷卻效果試驗工裝采用圖1所示的結(jié)構(gòu)形式，圖中轉(zhuǎn)接段、試驗段進口內(nèi)外套以及試驗段出口內(nèi)外套均采用鈑金件，各組件間采用較耐壓的凹凸面法蘭連接.

圖1 試驗工裝結(jié)構(gòu)形式示意圖

由此可見，試驗工裝中鈑金件的設計是否合理、是否易于實現(xiàn)加工等，是試驗能否成功的重要因素.

1.1 設計背景

由于試驗工裝轉(zhuǎn)接段入口溫度較高，目前大多數(shù)采用內(nèi)外套雙層夾壁循環(huán)水冷卻的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示.

圖2 試驗工裝夾壁水冷結(jié)構(gòu)及冷卻流路示意圖

該結(jié)構(gòu)的核心部分一般為3～4 mm厚的鈑金件，大多數(shù)工程技術(shù)人員對此類零件的設計采用與普通去除材料工藝方法相同的建模設計方法，如圖3(a)所示.該種方法雖然簡單，但是后續(xù)給工藝、尤其是施工帶來較大麻煩.鈑金工人需要根據(jù)經(jīng)驗切割出合適形狀的分體，再焊接起來.這極大地降低了工作效率，增加了勞動強度.而采用鈑金設計方法則符合工藝要求與施工情況，只需要將兩個展平的鈑金件在要求位置彎折、并焊接起來，就可得到要求的結(jié)構(gòu)形式.該方法方便簡單，同時降低了對鈑金工人的技術(shù)水平要求.

圖3 建模設計方法與鈑金設計方法對比

1.2 鈑金設計應用

從上述設計背景可知應用鈑金設計方法是非常必要的.將圖3(b)中的鈑金件展平，其實體如圖4(a)所示.該圖示圖樣可作為鈑金件的下料圖.從圖4(a)中可看出其為不規(guī)則的平面結(jié)構(gòu)，其中折彎位置已在圖中標出.具體工藝參數(shù)如圖4(b)所示，圖中標注出了折彎半徑、折彎角度、折彎方向等，方便工藝人員及施工人員操作.

圖4 鈑金件展平實體與展平圖樣

圖5為鈑金件的折彎過程仿真.從圖5中可以更清晰看出整個折彎過程的詳細步驟，同時也展示出了下料件與成型件的造型對比.

圖5 鈑金件折彎過程仿真

2 應用NX鈑金設計的展平分析

在鈑金件的設計中對其折彎過程的強度校核是必不可少的，尤其對于一些塑性材料.該部分工作能夠?qū)φ蹚潙M行預判，防止由于受力過大導致出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，保證成型最終成功.

該分析校核工作的理論基礎是有限單元法.與其他強度仿真類似，首先，進行網(wǎng)格劃分，采用易于收斂的四面體網(wǎng)格；然后，根據(jù)鈑金折彎過程中的邊界條件計算求解，得到結(jié)果數(shù)據(jù).

仍然以航空發(fā)動機渦輪冷卻效果試驗工裝為例，分別對轉(zhuǎn)接段與試驗段內(nèi)外套鈑金件的折彎進行展平分析.網(wǎng)格劃分如圖6所示.

圖6 轉(zhuǎn)接段與試驗段鈑金件網(wǎng)格劃分

圖6中(a)、(b)分別為轉(zhuǎn)接段與試驗段鈑金件中位面片體的有限元網(wǎng)格劃分情況.

鈑金件材料均選擇常用的304不銹鋼，其物性參數(shù)見表1.

表1 鈑金件材料的物性參數(shù)

轉(zhuǎn)接段鈑金件的展平分析結(jié)果如圖7所示，其中(a)、(b)分別為應力、應變圖.從圖7中可以得到在展平過程中最大應力約為460 MPa，小于強度極限520 MPa，在安全范圍以內(nèi)，最大應變約為0.3.

圖7 轉(zhuǎn)接段鈑金件展平的應力應變圖

試驗段鈑金件的展平分析結(jié)果如圖8所示，其中(a)、(b)分別為應力、應變圖.從圖8中可以得到在展平過程中的最大應力約為430 MPa，小于強度極限520 MPa，同樣在安全范圍以內(nèi)，最大應變約為0.26.因此，這兩種鈑金件的折彎施工是安全的.

圖8 試驗段鈑金件展平的應力應變圖

3 鈑金設計的應用及仿真驗證

在進行試驗段鈑金件的設計中發(fā)現(xiàn)，由于進、排氣角一般為銳角，扇形截面內(nèi)外套上下弧面的間距一般大于兩側(cè)面之間間距，這就解釋了為何試驗過程中若發(fā)生內(nèi)外套高溫斷裂，區(qū)域大多數(shù)出現(xiàn)在兩側(cè)面而不是上下弧面位置.兩側(cè)面間隙一般較小，此處冷卻較差，如圖9所示.因此，在設計時需加大內(nèi)外套間隙或?qū)⒗鋮s循環(huán)水進口位置布置于兩側(cè)面底部，如圖10所示.用Siemens NX進行了有限元仿真對比驗證.模型均采用30 000個四面體單元，進口絕壓為0.4 MPa，出口為常壓，進口水溫20 ℃，燃氣接觸壁面處溫度800 ℃.仿真驗證結(jié)果如圖11所示.從圖11中可以看出，原結(jié)構(gòu)冷卻水最高溫度可達75.6 ℃，改進結(jié)構(gòu)冷卻水最高溫度為67.0 ℃；原結(jié)構(gòu)冷卻水出口溫度為52.3 ℃，改進結(jié)構(gòu)冷卻水出口溫度為50.6 ℃；原結(jié)構(gòu)側(cè)邊溫度為54.5 ℃，改進結(jié)構(gòu)側(cè)邊溫度為49.3 ℃.因此可以證明該結(jié)構(gòu)的改進有效降低了鈑金件高溫斷裂的風險.

圖9 試驗段鈑金件上下弧面與兩側(cè)面距離對比

圖10 試驗段水冷結(jié)構(gòu)流路示意圖

圖11 兩種冷卻結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果對比

4 結(jié) 論

介紹了基于NX的鈑金設計方法在航空發(fā)動機渦輪冷卻試驗工裝中的應用，利用有限元分析理論對鈑金折彎過程進行了強度仿真校核及對設計結(jié)構(gòu)改進方案進行仿真驗證，補充并完善了高溫零部件地面試驗技術(shù)體系，得到以下結(jié)論：

(1) 運用Siemens NX等三維設計軟件在進行試驗工裝設計時可以實現(xiàn)“邊設計邊改進結(jié)構(gòu)”的功能，對復雜工裝零部件之間的交互設計有較大幫助.

(2) 在鈑金折彎過程中提前對強度進行仿真校核，可以預判最有可能的失效位置，保證工藝正常開展.校核判斷應力、應變均在安全范圍內(nèi)，折彎施工是安全的.

(3) 通過有限元仿真驗證可知：改變冷卻循環(huán)水進口位置可以有效降低冷卻水各位置溫度，從而降低了鈑金件高溫斷裂的風險.