某型機載儲液器極限壓力試驗研究及優(yōu)化設(shè)計

郭徽1 仇振安2 劉建平2 姚英麗3 張行3

（1.陸軍航空兵軍代局，河南 洛陽 471000；2.陸軍航空兵軍代局駐洛陽地區(qū)軍事代表，河南 洛陽 471000；3.新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團）有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453049）

某型機載儲液器極限壓力試驗研究及優(yōu)化設(shè)計

郭徽1 仇振安2 劉建平2 姚英麗3 張行3

（1.陸軍航空兵軍代局，河南 洛陽 471000；2.陸軍航空兵軍代局駐洛陽地區(qū)軍事代表，河南 洛陽 471000；3.新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團）有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453049）

本文以某型儲液器為對象，進行極限壓力試驗研究，對儲液器進行剖切分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計中的缺陷，并進行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后的產(chǎn)品滿足7.5MPa的極限壓力試驗要求，保證了產(chǎn)品的研制進度。

儲液器；極限壓力；優(yōu)化設(shè)計

儲液器是某型機蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置的配套產(chǎn)品。其功能是儲存蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置內(nèi)工作狀態(tài)的多余制冷劑，并連續(xù)供輸液態(tài)制冷劑［1］。儲液器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 儲液器結(jié)果示意圖

儲液器初始極限壓力設(shè)計指標(biāo)為4.5MPa，考慮到機上可能出現(xiàn)的特殊環(huán)境，系統(tǒng)需求將儲液器極限壓力由4.5MPa提高為7.5MPa［2］。因此，需要對儲液器極限壓力進行試驗研究，確認(rèn)其是否滿足系統(tǒng)需求。

1 儲液器極限壓力試驗研究

1.1 極限壓力試驗情況

抽取3套儲液器產(chǎn)品（編號：001、002、003）進行極限壓力試驗，試驗方法如下：①先緩慢升壓至6.0+0.2MPa，保壓5min，觀察產(chǎn)品有無變形及泄漏，并記錄，若產(chǎn)品無泄漏，則繼續(xù)進行試驗；②繼續(xù)增壓，每次增加0.2MPa，保壓2min，觀察產(chǎn)品有無變形及泄漏，并記錄，若產(chǎn)品無泄漏，則繼續(xù)進行試驗直到壓力值達到7.5+0.2MPa，保壓2min，產(chǎn)品允許變形，但不允許泄漏；③試驗后檢查產(chǎn)品氣密性［3］。

三套產(chǎn)品的試驗結(jié)果如表1所示。產(chǎn)品無法滿足極限壓力7.5MPa的要求，需要對儲液器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

表1 儲液器極限壓力試驗結(jié)果

1.2 原因分析

選取編號為003的儲液器進行分析，經(jīng)觀察泄漏處位于封蓋與出口管焊縫處，泄漏處可見一條裂紋，裂紋長度約2mm，如圖2所示。

圖2 泄漏處宏觀及剖切形貌

將封蓋與出口管焊縫進行垂向剖切，可看到焊縫實際焊接狀態(tài)如圖2所示。根據(jù)HB/Z119-2011《鋁及鋁合金熔焊工藝及質(zhì)量檢驗》的要求，母材厚度大于3mm時熔深不小于10%，通過觀察，焊接質(zhì)量達到標(biāo)準(zhǔn)要求。

焊縫采用氬弧焊角焊縫連接，隨著壓力逐漸增大，封蓋與殼體產(chǎn)生塑性變形，內(nèi)側(cè)根部向內(nèi)凹陷，母材之間形成夾角，焊縫背部形成應(yīng)力集中區(qū)域。當(dāng)產(chǎn)品內(nèi)部壓力達到一定值時，應(yīng)力集中到一定程度導(dǎo)致焊縫撕裂。

2 儲液器優(yōu)化設(shè)計

2.1 優(yōu)化設(shè)計方案

根據(jù)上述的原因分析，需要對儲液器的焊縫進行優(yōu)化改進。優(yōu)化方案如下：出口管與封蓋連接處焊縫向外移動，由角焊縫改為對接焊縫，保證出口管與封蓋100%焊合，如圖3所示。

圖3 出口管與殼體焊接方式優(yōu)化示意圖

2.2 仿真分析

為驗證上述改進方案是否有效，以封蓋與出口管焊接部位作為重點關(guān)注對象，分別建立角焊縫模型與焊縫外移對接焊縫模型以作對比。儲液器產(chǎn)品各個零件的材料及相關(guān)屬性見表2。優(yōu)化前后2種方案的應(yīng)力結(jié)果見圖4、5。

表2 儲液器產(chǎn)品的零件材料與屬性

通過觀察2種方案應(yīng)力結(jié)果圖可以看出，原結(jié)構(gòu)在6.0MPa下紅色截面厚度已占總厚度的1/2，而結(jié)構(gòu)優(yōu)化后封蓋與出口管、殼體與底座焊縫連接處紅色截面厚度約占總厚度的1/5，不超出截面厚度的1/3，滿足3A21材料拉伸強度80%的強度要求。因此，從仿真分析結(jié)果來看，優(yōu)化方案可以滿足產(chǎn)品7.5MPa極限壓力要求。

圖4 6.0MPa-角焊縫模型的應(yīng)力結(jié)果

圖5 7.5MPa-封蓋與出口管焊縫應(yīng)力結(jié)果

2.3 試驗驗證

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計方案對儲液器進行改進，并對改進后首件進行極限壓力試驗，先加壓至6.0MPa并保壓5min后，產(chǎn)品出現(xiàn)塑性變形但無泄漏，然后繼續(xù)增壓，每次增壓0.2MPa并保壓2min，增壓至7.7MPa并保壓2min后，產(chǎn)品的塑性變形加大但無泄漏現(xiàn)象。可以認(rèn)定優(yōu)化后產(chǎn)品滿足7.5MPa的極限壓力試驗要求，該優(yōu)化方案切實可行。

3 結(jié)論

通過對某型機載儲液器進行極限壓力試驗研究，發(fā)現(xiàn)焊縫是影響儲液器極限壓力的重要因素，并有針對地進行了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計，通過仿真分析與試驗相結(jié)合的方式驗證了優(yōu)化措施的有效性，滿足了系統(tǒng)的新需求。

［1］李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench設(shè)計、仿真與優(yōu)化［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［2］《中國航空材料手冊》委員會.中國航空材料手冊［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

［3］機械設(shè)計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

Experimental Study and Optimum Design of Ultimate Pressure for a Kind of Airborne Liquid Reservoir

Guo Hui1Qiu Zhenan2Liu Jianping2Yao Yingli3Zhang Hang3
（1.Army Aviation Military Representative Bureau，Luoyang Henan 471000；2.Military Representative in Luoyang，Army Aviation Military Representative Bureau，Luoyang Henan 471000；3.Xinxiang Aviation Industry(Group)Co.Ltd.，Xinxiang Henan 453049）

Based on a certain type of reservoir,this paper carried out experimental study of the ultimate perssure. By cutting the reservoir,the defect in product design was found,and the corresponding optimal design was carried out.The optimized product meet the 7.5MPa limit pressure test requirements,to ensure the product development schedule.

reservoir；extreme pressure；optimization design

TB65

：A

：1003-5168（2017）03-0072-02

2017-02-25

郭徽（1966-），男，本科，高級工程師，研究方向：直升機、發(fā)動機研制生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)督和管理。