李超　仇振安　焦鵬程

摘 要：近年來，航空發(fā)動機懸臂梁結(jié)構(gòu)散熱器產(chǎn)品數(shù)量增多，部分產(chǎn)品在進行振動試驗時安裝耳片處出現(xiàn)振裂故障，為避免此類產(chǎn)品振動故障的發(fā)生，采用ANSYS對某懸臂梁結(jié)構(gòu)散熱器進行隨機振動分析。結(jié)果表明：產(chǎn)品應(yīng)力最大處位于安裝耳片過渡圓角處。在產(chǎn)品設(shè)計時，應(yīng)著重考慮安裝耳片處的強度，以降低產(chǎn)品振動時出現(xiàn)故障的風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：懸臂梁結(jié)構(gòu);散熱器;安裝耳片

中圖分類號：TU832.23文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）15-0034-04

Abstract： In recent years， the number of “cantilever beam” structure heat exchanger products in XINHANG has increased， and some products have vibration crack failure at the mounting lug during vibration test. In order to avoid the occurrence of vibration failure of such products， ANSYS is used to analyze the random vibration of a “cantilever beam” structure heat exchanger. The analysis results show that the maximum product stress is located at the excessive fillet of the mounting lug. In the design of the product， the strength of the mounting lug should be considered to reduce the risk of failure when the product vibrates.

Keywords： cantilever beam; heat exchanger;mounting lug

燃滑油散熱器是航空發(fā)動機滑油系統(tǒng)的重要附件。隨著發(fā)動機結(jié)構(gòu)的緊湊設(shè)計，主機單位在設(shè)計滑油系統(tǒng)時，更傾向于將燃滑油散熱器設(shè)計成懸臂梁結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)形式在振動、沖擊、加速度等環(huán)境下，容易造成結(jié)構(gòu)件斷裂等故障，其中振動的破壞性最為嚴(yán)重[1]。為此，需要在設(shè)計時充分考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強度，采用仿真軟件對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行強度校核，識別出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

1 某民機產(chǎn)品振動試驗要求

根據(jù)《機載設(shè)備的環(huán)境條件和測試程序》（RTCA DO-160F）第8章節(jié)振動試驗要求[2]，某型發(fā)動機配套燃滑油散熱器的試驗譜線如下。

1.1 隨機譜線部分

10～300 Hz范圍內(nèi)，功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）為0.02 g2/Hz;300～2 000 Hz范圍內(nèi)，功率譜密度（PSD）由0.02 g2/Hz均勻變化到0.002 g2/Hz。正弦譜線部分見表1。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計

該發(fā)動機燃滑油散熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要由法蘭盤、殼體、散熱芯體、滑油壓差旁通活門、端蓋組成，主要通過5個安裝螺釘固定在發(fā)動機油濾機匣上，為懸臂梁式結(jié)構(gòu)。新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團）有限公司類似懸臂梁結(jié)構(gòu)燃滑油散熱器在進行振動試驗時曾出現(xiàn)安裝耳片處斷裂的故障。

經(jīng)分析，振動故障的出現(xiàn)主要是因為安裝耳片處應(yīng)力集中、振動工裝設(shè)計不合理。耳片處屬于變截面，其應(yīng)力集中系數(shù)與過渡圓角[R]有關(guān)。假如變截面如圖2所示，則階梯板條的應(yīng)力集中系數(shù)如式（1）所示。

式中：[K]為應(yīng)力集中系數(shù);[B]為階梯板條回轉(zhuǎn)半徑;[b]為階梯板條回轉(zhuǎn)半徑;[R]為變截面處過渡圓角。

從式（1）可以看出：應(yīng)力集中系數(shù)[K]與過渡圓角[R]具有較大關(guān)系，過渡圓角[R]越小，應(yīng)力集中系數(shù)越大。

為避免同類故障，對安裝耳片進行了強化設(shè)計，材料選用6061-T6棒料，安裝耳片厚度設(shè)計為8 mm，安裝耳片與法蘭之間過渡圓角[R]設(shè)計為2 mm，加工方法為機加工，法蘭盤結(jié)構(gòu)見圖3。

2 仿真分析

2.1 模型簡化

本次仿真主要考核產(chǎn)品整體剛度。建立仿真模型時，對散熱器內(nèi)部的散熱管進行部分簡化，采用質(zhì)量點和質(zhì)量等效體簡化。

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是仿真分析的重要環(huán)節(jié)之一[3]，采用四面體網(wǎng)格劃分，并對小特征處進行網(wǎng)格加密處理。

2.3 坐標(biāo)系建立

仿真環(huán)境的全局坐標(biāo)系見圖4，后續(xù)隨機振動仿真中的載荷激勵方向?qū)凑赵撟鴺?biāo)系軸向進行施加。

2.4 隨機振動分析

在進行振動仿真分析前，要先進行模態(tài)分析，模態(tài)分析結(jié)果主要包括固有頻率和模態(tài)振型，固有頻率分析結(jié)果見表2，前三階模態(tài)振型見圖5。

隨機振動應(yīng)力結(jié)果如圖6所示。

從等效應(yīng)力分布云圖可以看出，除去應(yīng)力奇異點，最大應(yīng)力處位于法蘭盤安裝耳片過渡圓角處，最大應(yīng)力值為20.1 MPa，查《中國航空材料手冊》可知，6061-T6的疲勞強度為96 MPa，產(chǎn)品能夠滿足振動要求，安全系數(shù)為4.7。

2.5 試驗驗證

根據(jù)仿真結(jié)果對產(chǎn)品法蘭盤安裝耳片處進行局部優(yōu)化，優(yōu)化后產(chǎn)品按第2節(jié)振動試驗譜進行振動試驗，順利通過試驗考核，[Z]方向試驗臺設(shè)置及振動曲線見圖7。

3 結(jié)果分析

從仿真結(jié)果及同類產(chǎn)品故障模式看，此類懸臂梁結(jié)構(gòu)散熱器的結(jié)構(gòu)強度薄弱點主要位于法蘭安裝耳片處。在產(chǎn)品設(shè)計時需要注意以下幾個方面：法蘭盤材料選用強度較高、焊接性能優(yōu)良的6系鋁合金;盡可能增大安裝耳片與機體之間的過渡圓角;盡可能減小焊接變形對安裝耳片的影響，優(yōu)先選用脹接結(jié)構(gòu);采用必要的仿真計算進行強度校核。

根據(jù)新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團）有限公司同類產(chǎn)品振動試驗經(jīng)驗，振動工裝的設(shè)計對振動試驗影響較大，在進行振動試驗時，需要注意以下幾個方面：振動工裝選擇剛度好的材料，便于力的傳遞;針對懸臂梁結(jié)構(gòu)散熱器類產(chǎn)品的振動工裝，工裝與產(chǎn)品法蘭安裝面的粗糙度、平面度應(yīng)與產(chǎn)品一致或高于產(chǎn)品法蘭形位公差要求。

參考文獻：

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[2]機載設(shè)備的環(huán)境條件和測試程序：RTCA DO-160F[EB/OL].（2007-12-06）[2021-03-04]. https：//img65.chem17.com/1/20200605/637269507592432424624.pdf.

[3]凌桂龍.ANSYS Workbench 15.0從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014：45-55.

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