湯禮軍

中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司 陜西 西安 710089

引言

在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一般情況下按照靜強度準(zhǔn)則已足以滿足使用要求。對于處于復(fù)雜環(huán)境中的結(jié)構(gòu)，內(nèi)外表面因存在巨大的溫度差，而產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，雖然結(jié)構(gòu)的常溫靜強度裕度系數(shù)較大，但常常會因為熱應(yīng)力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

發(fā)動機導(dǎo)流裝置是用來保護機身蒙皮免受發(fā)動機高溫氣流的熱蝕，承受飛機飛行時的氣動載荷以及發(fā)動機高溫氣流熱載荷，工作環(huán)境惡劣[1]。目前，對發(fā)動機導(dǎo)流裝置的結(jié)構(gòu)強度分析，僅僅是考慮氣動載荷的靜強度分析，尚未建立發(fā)動機導(dǎo)流裝置的熱應(yīng)力有限元計算模型[2]。由于發(fā)動機導(dǎo)流裝置存在大量不同材料的連接，受溫度影響將導(dǎo)致材料的熱變形和熱膨脹失配，進而產(chǎn)生熱-應(yīng)力耦合可靠性問題。因此發(fā)動機導(dǎo)流裝置的熱應(yīng)力分析對結(jié)構(gòu)的強度校核至關(guān)重要。

為了獲取發(fā)動機導(dǎo)流裝置在最大工作狀態(tài)下的溫度場分布和熱應(yīng)力狀況，應(yīng)用有限元的方法建立了有限元模型，根據(jù)發(fā)動機導(dǎo)流裝置整體安裝結(jié)構(gòu)的溫度情況，確定了邊界條件，對發(fā)動機導(dǎo)流裝置在最大工作狀態(tài)下的溫度場分布和熱應(yīng)力進行了計算，同時與發(fā)動機導(dǎo)流裝置在氣動載荷下的應(yīng)力場分布進行比較。對比結(jié)果為發(fā)動機導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)改進設(shè)計提供了必要的依據(jù)。

1 有限元熱應(yīng)力計算描述

現(xiàn)有的各種結(jié)構(gòu)有限元素法分析軟件均有熱應(yīng)力計算功能，按指定的格式輸入必要的數(shù)據(jù)，即可執(zhí)行計算得到結(jié)果[3]。一般軟件提供兩種熱應(yīng)力計算途徑：一種方法為用同一個有限元模型作溫度計算和應(yīng)力分析，應(yīng)力分析時需要執(zhí)行兩個過程，先進行熱分析，即按指定的熱條件和邊界條件計算結(jié)構(gòu)的節(jié)點溫度，然后將模型中各節(jié)點的溫度作為輸入文件，進行有限元模型節(jié)點的位移和應(yīng)力的計算；另一種方法為結(jié)構(gòu)的熱分析和熱應(yīng)力計算用不同的模型或者不同的手段分別完成，應(yīng)力分析時由用戶提供有限元模型所有節(jié)點的溫度或者提供全部元素的平均溫度，由程序根據(jù)節(jié)點溫度或元素平均溫度計算等效熱載荷，最后完成應(yīng)力分析。

2 發(fā)動機導(dǎo)流裝置有限元模型的建立

2.1 網(wǎng)格劃分

發(fā)動機導(dǎo)流裝置的有限元建模及求解采用Patran程序完成，后處理采用Nastran程序完成[4]。網(wǎng)格劃分應(yīng)把有限元模型的節(jié)點、單元的分界線或分界面設(shè)置在相應(yīng)的不連續(xù)處，同時載荷的簡化不能跨越主要受力構(gòu)件，網(wǎng)格過渡應(yīng)按單元尺度突然變化為最小的原則來處理。對于幾何形狀突變和過渡圓角應(yīng)采用較小的單元、較密集的網(wǎng)格，為了獲得較好的熱應(yīng)力結(jié)果，單元最大尺寸和最小尺寸之比不應(yīng)超過3。溫度梯度較小的方向，單元尺寸可以加大。

根據(jù)發(fā)動機導(dǎo)流裝置真實結(jié)構(gòu)和單元類型的力學(xué)特性，壁板蒙皮和隔框腹板簡化為板殼單元，隔框的框緣簡化為梁單元，壁板長桁簡化為桿單元。為了減少計算過程中信息和數(shù)據(jù)的傳遞，方便將溫度場分析結(jié)果作為載荷輸入到熱應(yīng)力分析模型，溫度計算與應(yīng)力分析采用相同的有限元模型，有限元計算模型見圖1。

圖1 發(fā)動機導(dǎo)流裝置有限元模型示意圖

2.2 邊界條件及載荷

發(fā)動機導(dǎo)流裝置底部與機身蒙皮通過多排鉚釘連接，可以看作固支，約束3個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度；端部導(dǎo)流環(huán)與發(fā)動機艙通過單排鉚釘連接，可以按簡支處理，約束3個方向的平動自由度。

發(fā)動機導(dǎo)流裝置主要承受氣動載荷和溫度載荷，應(yīng)力分析時分別對兩種載荷情況進行計算。根據(jù)氣動力分布計算結(jié)果，在發(fā)動機導(dǎo)流裝置的蒙皮上施加0.01648MPa的均布壓力；溫度場計算時，機身連接處的發(fā)動機導(dǎo)流裝置蒙皮和端部導(dǎo)流環(huán)部分遠離高溫氣流，溫度取40℃，中間蒙皮受高溫氣流輻射，溫度取120℃；參考溫度取25℃。

2.3 材料參數(shù)

表1 線膨脹系數(shù)

表2 導(dǎo)熱系數(shù)

3 計算結(jié)果與分析

熱應(yīng)力的計算時根據(jù)已有的溫度數(shù)據(jù),利用熱分析模塊對發(fā)動機導(dǎo)流裝置的穩(wěn)態(tài)溫度場分布進行計算[6]，將溫度場的計算結(jié)果建立場，換算成等效節(jié)點溫度載荷，導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析模型中，作為熱應(yīng)力計算過程的載荷，即間接耦合的方式。

根據(jù)發(fā)動機導(dǎo)流裝置溫度場計算結(jié)果,計算表明發(fā)動機導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)溫度分布梯度比較平緩，導(dǎo)流器中間蒙皮處溫度較高為120℃，導(dǎo)流器與機身連接處溫度較低為40℃。

考慮溫度場時，發(fā)動機導(dǎo)流裝置計算結(jié)果見圖2。由圖2可知，發(fā)動機導(dǎo)流裝置后部由于溫度場分布均勻和較好的邊界條件，應(yīng)力值在200MPa以下。發(fā)動機導(dǎo)流裝置前端由于此區(qū)域溫度梯度大，導(dǎo)致熱變形不匹配，產(chǎn)生過大熱應(yīng)力，最大應(yīng)力為475MPa，出現(xiàn)在側(cè)壁板彎邊與端部導(dǎo)流環(huán)連接處，該材料在高溫下的強度極限為527MPa，其靜強度可以滿足設(shè)計要求，計算值與強度極限比較接近，若考慮高溫下的持久強度時，其強度極限可能會降低，該處結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生破壞損傷。

考慮氣動載荷時，發(fā)動機導(dǎo)流裝置計算結(jié)果見圖3。由圖3可知，發(fā)動機導(dǎo)流裝置應(yīng)力分布從整體上看是均勻合理的，結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為192MPa，出現(xiàn)在側(cè)壁板底部靠近導(dǎo)流環(huán)區(qū)，該材料在常溫下的強度極限為569MPa，其靜強度可以滿足設(shè)計要求。

通過對圖2和圖3計算結(jié)果進行對比，發(fā)動機導(dǎo)流裝置熱應(yīng)力計算結(jié)果遠遠大于氣動載荷作用下的計算結(jié)果，表明熱載荷是影響發(fā)動機導(dǎo)流裝置應(yīng)力大小的主要因素。

圖2 發(fā)動機導(dǎo)流裝置熱應(yīng)力計算云圖

圖3 發(fā)動機導(dǎo)流裝置氣動載荷計算云圖

4 結(jié)束語

本文采用有限元分析軟件，通過建立發(fā)動機導(dǎo)流裝置有限元模型，調(diào)用熱分析及結(jié)構(gòu)分析模塊，對發(fā)動機導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)進行了溫度場分布和熱應(yīng)力計算，得到以下主要結(jié)論：導(dǎo)流器溫度場呈現(xiàn)高溫邊界到低溫邊界的梯度分布；對兩種載荷工況下發(fā)動機導(dǎo)流裝置應(yīng)力進行計算，根據(jù)材料特性可知是滿足靜強度設(shè)計要求的，若考慮高溫下的持久強度時，側(cè)壁板彎邊與端部導(dǎo)流環(huán)連接處結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生破壞損傷；比較兩種工況下應(yīng)力計算結(jié)果得出熱載荷時影響發(fā)動機導(dǎo)流裝置應(yīng)力大小的主要因素。文章的計算結(jié)果可以為發(fā)動機導(dǎo)流裝置的熱防護以及優(yōu)化設(shè)計提供可靠的依據(jù)，同時此計算分析方法為其他熱環(huán)境下工作的結(jié)構(gòu)強度校核提供了一定的工程參考價值。