某航發(fā)裝配平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)的仿真分析與試驗(yàn)

顧永峰，閆洪峰，溫 琦,安喜平，秦 偉，2

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院 北京金輪坤天特種機(jī)械有限公司，北京 100083；2.昆明理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，昆明 650500)

全球空中交通量的不斷增長(zhǎng)使得人們對(duì)未來(lái)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)提出了經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和性能要求[1]。而航發(fā)裝配平臺(tái)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其性能好壞決定了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性及使用壽命[2]，因此，提高航發(fā)裝配水平顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)對(duì)于航發(fā)裝配平臺(tái)的傳統(tǒng)裝配方法主要有兩種，即將發(fā)動(dòng)機(jī)固定在龍門(mén)架下的立式裝配和將發(fā)動(dòng)機(jī)裝配固定在4根或6根獨(dú)立支柱上。但這兩種方法存在裝配區(qū)域有限，效率低下等缺點(diǎn)，不適合大批量生產(chǎn)。在國(guó)外，目前以美國(guó)、法國(guó)為首的國(guó)家普遍采用GE航空脈動(dòng)裝配線(xiàn)及Clemessy水平脈動(dòng)裝配線(xiàn)等更為先進(jìn)的裝配方式。其主要是在水平吊裝狀態(tài)下將風(fēng)扇、核心機(jī)、低壓渦輪和附件機(jī)匣以脈動(dòng)方式進(jìn)入后續(xù)工位，逐步裝配成發(fā)動(dòng)機(jī)主體，再安裝智能裝配系統(tǒng)和外部件完成整機(jī)裝配[1,3]。但由于技術(shù)以及成本的緣故，此種裝配方式未能在國(guó)內(nèi)企業(yè)普及。因此，研發(fā)一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的航發(fā)裝配設(shè)備就顯得尤為重要。

本單位在成功研制一臺(tái)多自由度的航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配平臺(tái)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了本文中用于結(jié)構(gòu)分析的新型裝配平臺(tái)[4]。二者進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn)，前者固定支撐裝置為C型環(huán)固定，后者則為前后支撐架支撐；前者整機(jī)需固定于地面進(jìn)行裝配，后者則以裝配車(chē)的形式進(jìn)行作業(yè)。相較于前者，新型裝配平臺(tái)的裝配區(qū)域得到了擴(kuò)大，承載量和裝配效率也有顯著提升。

平臺(tái)的設(shè)計(jì)與發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)緊密相關(guān)，為了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的早期階段評(píng)估與生命周期相關(guān)的成本，必須在初步設(shè)計(jì)期間對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)殼體組件的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證且確定裝配系統(tǒng)的可靠性[5-6]，并評(píng)估航空發(fā)動(dòng)機(jī)可制造性和可組裝性[7]，進(jìn)而進(jìn)行平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保裝配平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全性及可靠性等各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足要求[8]。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需預(yù)先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析，以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在設(shè)備試用階段進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)。

本文采用基于ANSYS的有限元分析并結(jié)合試驗(yàn)的方法對(duì)主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，可以很好得到主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，能為主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和修復(fù)改造提供技術(shù)依據(jù)[9]。

1 裝配平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)分析

1.1 裝配平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)組成

主體結(jié)構(gòu)是裝配平臺(tái)用于支撐和升降的結(jié)構(gòu)，是整個(gè)裝配分解平臺(tái)的主要承載部分，主要由輪架底座、升降臺(tái)、外X型臂、內(nèi)X型臂等組成。其中內(nèi)外X型臂組成升降機(jī)構(gòu)，其上下兩端分別同輪架底座和升降平臺(tái)連接，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主體結(jié)構(gòu)三維圖

1.2 主體結(jié)構(gòu)惡劣工況分析

主體結(jié)構(gòu)中，內(nèi)外X型臂下部連接輪架，組成升降機(jī)構(gòu)，且在液壓缸的推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)升降臺(tái)及上部設(shè)備的升降。平臺(tái)升降高度，承載穩(wěn)定性，液壓缸推力等因素都會(huì)影響結(jié)構(gòu)工況。其中，液壓缸推力是主體結(jié)構(gòu)所受載荷中最大的，是影響結(jié)構(gòu)工況的主要因素。因此，在分析平臺(tái)主體工況時(shí)，僅需要分析出液壓缸的最大推力即可確定主體結(jié)構(gòu)的惡劣工況。主體結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)，為了便于分析，將升降平臺(tái)所受支撐裝置的壓力簡(jiǎn)化為作用于平臺(tái)中部的力W(大小等于上部裝置的總重力)。受力簡(jiǎn)圖如圖2所示。

升降機(jī)構(gòu)為液壓剪叉機(jī)構(gòu)，在兩個(gè)液壓缸共同作用下，外X型臂繞C點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)其他部件運(yùn)動(dòng)。由剪叉布置方式可知

圖2 主體結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖

VW=VAcosα=lACωcosα

(1)

VB=lBCω

(2)

V=VBcosβ

(3)

β=90-(α+θ)

(4)

式中：VW為升降臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度；VA為上滑塊上A點(diǎn)的速度；lAC為AC的長(zhǎng)度；ω為AC相對(duì)于C點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；α為AC為與底盤(pán)梁架的夾角；β為AC上B點(diǎn)的速度與液壓缸推桿的夾角；θ為液壓缸軸線(xiàn)與地面的夾角。

由上式得油缸運(yùn)動(dòng)速度V

(5)

由虛位移原理可推導(dǎo)出活塞推力P[10]

(6)

式中,lBC為BC段長(zhǎng)度。

由式(5)、(6)可知，V隨著α的增大而增大，活塞推力P則會(huì)減小。當(dāng)α最小時(shí)，活塞推力P最大，升降結(jié)構(gòu)與上平臺(tái)所受載荷最大。

綜上，當(dāng)升降平臺(tái)處于最低位置時(shí)，主體結(jié)構(gòu)所處工況最?lèi)毫印?/p>

2 平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 有限元模型的建立

主體結(jié)構(gòu)整體有限元模型建立時(shí)，由于原始模型、結(jié)構(gòu)的邊界條件、載荷情況等較復(fù)雜，為提高數(shù)值模擬效率，減少仿真運(yùn)行時(shí)間，需對(duì)主體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。在三維建模軟件SolidWorks將主體結(jié)構(gòu)分為升降臺(tái)、升降機(jī)構(gòu)及輪架底座三部分分別建模,模型三維圖如圖3所示。

圖3 模型三維圖

2.2 三維模型與有限元軟件的連接

保存上述模型為“.x_t”格式，導(dǎo)入有限元軟件Ansys Workbench之中。為便于分析，節(jié)省仿真所需時(shí)間，對(duì)導(dǎo)入模型做如下簡(jiǎn)化：結(jié)構(gòu)各部分材料被看作各向同性材料[12]，忽略焊縫對(duì)各連接部分的影響。

2.3 單元類(lèi)型及材料特性

由于主體結(jié)構(gòu)中的升降臺(tái)、升降機(jī)構(gòu)、底盤(pán)梁架是由鋼板及鋼架焊接而成，模型不規(guī)則，故對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，采用三維實(shí)體單元Solid45進(jìn)行網(wǎng)格劃分[13]。此單元用于構(gòu)造三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，單元通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著xyz方向平移的自由度。單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變的能力，可以獲得簡(jiǎn)化的綜合微控選項(xiàng)。

裝配平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)所用材料為Q345B，其材料屬性如表1所示。

表1 Q345B材料屬性

2.4 邊界條件及載荷

對(duì)升降臺(tái)、升降機(jī)構(gòu)和底盤(pán)梁架分別施加不同的約束和載荷。上平臺(tái)前后兩端與前后支撐裝置接觸部分施加壓力，并在平臺(tái)下部相接觸部位施加圓柱度約束及位移約束。在內(nèi)外X型臂鉸接位置及其與上下部件連接處的一端添加圓柱度約束，并在另一端施加豎直向下的載荷。由于底盤(pán)梁架受力復(fù)雜，不易分析，因此將載荷簡(jiǎn)化為均布于四角且垂直向上的壓力，并于與底盤(pán)梁架上部的連接處添加固定約束。

考慮到后續(xù)應(yīng)力試驗(yàn)時(shí)的平衡點(diǎn)選取問(wèn)題，各部位將分別在空載和滿(mǎn)載兩種情況下施加相應(yīng)載荷并進(jìn)行有限元仿真。

2.5 有限元分析及結(jié)果選取

結(jié)構(gòu)的總應(yīng)力是由XYZ三向的正應(yīng)力以及切應(yīng)力的矢量和。在滿(mǎn)載和空載兩種工況下，對(duì)上述三部分結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行有限元仿真，可得結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)載和空載狀況下總應(yīng)力以及各向應(yīng)力分布云圖。由分析可得，主體結(jié)構(gòu)主要受到軸向拉應(yīng)力且其平臺(tái)升降高度相對(duì)較低，因此結(jié)構(gòu)在X向的正應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他應(yīng)力。考慮到應(yīng)變片測(cè)電阻的測(cè)試范圍以及貼片布置位置等因素，本文只取主體結(jié)構(gòu)在空載、滿(mǎn)載工況下X向以及滿(mǎn)載時(shí)整體應(yīng)力分布云圖，并在撓度最大處標(biāo)記應(yīng)力值，所得結(jié)果如圖4所示。

圖4 有限元分析云圖

由觀(guān)察上述有限元分析云圖結(jié)果可知，主體結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力出現(xiàn)在底盤(pán)梁架的橫梁尾部，為269 MPa，小于材料的許用應(yīng)力值。

3 平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力試驗(yàn)

3.1 應(yīng)力試驗(yàn)基本原理

在工程上，結(jié)構(gòu)應(yīng)力通常通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)變獲得。通過(guò)應(yīng)變片和專(zhuān)用測(cè)試儀器采集結(jié)構(gòu)件應(yīng)變時(shí)域信號(hào)[14]，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)件應(yīng)力的最大值、最小值以及變化規(guī)律等。電阻R的表達(dá)式如式(7)所示

(7)

式(7)中，R為應(yīng)變片電阻絲的電阻值；ρ為電阻絲的電阻率；L為電阻阻絲的初始長(zhǎng)度；A為電阻絲的初始截面面積。

當(dāng)電阻絲受到軸向拉力或壓力時(shí)，將發(fā)生伸長(zhǎng)或縮短效應(yīng)，隨之電阻絲橫截面積和電阻值也發(fā)生變化[14-15]。對(duì)上式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)可得

lnR=lnρ+lnL-lnA

(8)

對(duì)式(8)進(jìn)行求導(dǎo)可得

(9)

又因?yàn)榻饘匐娮杈€(xiàn)受軸向拉伸(或壓縮)作用時(shí)

(10)

(11)

式(11)中令K=dρ/ρ/ε+(1+2μ)，則

(12)

由上述各式可得，在航發(fā)主體結(jié)構(gòu)加載時(shí)，電阻絲的應(yīng)變會(huì)隨著電阻變化值的增大而增大，相應(yīng)的應(yīng)力值也會(huì)增大。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

3.2.1 試驗(yàn)儀器

(1)YSV工程測(cè)試與信號(hào)分析軟件 HDSample1.0；

(2)YSV8004型4通道動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀；

(3)YSV7004型動(dòng)態(tài)應(yīng)變調(diào)理器；

(4)120Ω箔式電阻應(yīng)變片；

(5)優(yōu)利德UT33C數(shù)字萬(wàn)用表。

3.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

5噸航空發(fā)動(dòng)機(jī)模型。

3.3 試驗(yàn)步驟

3.3.1 測(cè)點(diǎn)位置的選取

根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，主體結(jié)構(gòu)三部分應(yīng)力最大點(diǎn)分別位于上平臺(tái)與外X型臂鉸接處、內(nèi)外X型臂鉸接處以及底盤(pán)梁架的橫梁尾部?？紤]到實(shí)際工況與有限元分析所得數(shù)據(jù)的差異，且在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，分析所得應(yīng)力最大點(diǎn)處無(wú)法進(jìn)行打磨、清理、貼片等操作，故這些位置無(wú)法進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。為了解決上述問(wèn)題，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)裝配分解平臺(tái)的承載特點(diǎn)[15]，選取各部分撓度最大的4個(gè)位置作為測(cè)點(diǎn)，如表2和圖5所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配平臺(tái)檢測(cè)點(diǎn)

圖5 主體結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)示意圖

3.3.2 應(yīng)變片的粘貼

由結(jié)構(gòu)分析可知，所選4個(gè)測(cè)點(diǎn)位置主要為拉伸形變，且形變方向?yàn)楦髁旱妮S向。因此，應(yīng)在各測(cè)點(diǎn)中部且沿結(jié)構(gòu)軸向的位置粘貼應(yīng)變片。實(shí)際測(cè)試如圖6所示。

圖6 應(yīng)力測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

3.4.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

選擇裝配平臺(tái)空載工況為平衡點(diǎn)，用YSV8004型4通道動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀同時(shí)對(duì)A、B、C、D4個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試裝配平臺(tái)由空載到滿(mǎn)載一段時(shí)間后測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化情況，測(cè)試總時(shí)間為24s(24000ms)。采集到的應(yīng)力數(shù)據(jù)經(jīng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變調(diào)理器后得到測(cè)試文件，導(dǎo)入YSV工程測(cè)試與信號(hào)分析軟件中，并分兩組對(duì)其進(jìn)行頻域分析，得到如圖7所示數(shù)據(jù)。

圖7 測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖

3.4.2 數(shù)據(jù)處理

由于YSV工程測(cè)試與信號(hào)分析軟件所得到的測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)量龐大，且數(shù)據(jù)曲線(xiàn)的準(zhǔn)確數(shù)值難以觀(guān)察，因此需將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。由圖17、18可知，各通道測(cè)試數(shù)據(jù)在14秒(14 000 ms)之后趨于穩(wěn)定。為了便于觀(guān)察應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，選取載荷穩(wěn)定時(shí)的10組測(cè)試數(shù)據(jù)(時(shí)域?yàn)?0 ms)并導(dǎo)入繪圖分析軟件Origin8.5中，即可得到清晰且準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，所得圖形如圖8所示。

圖8 測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理曲線(xiàn)圖

4 有限元分析與試驗(yàn)比對(duì)

由于結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試所測(cè)數(shù)據(jù)為各測(cè)點(diǎn)在空載到滿(mǎn)載時(shí)軸向的拉伸應(yīng)力變化，結(jié)合ANSYS Workbench仿真，所測(cè)拉伸應(yīng)力應(yīng)與各測(cè)點(diǎn)X向在空載和滿(mǎn)載情況下的應(yīng)力差值進(jìn)行比對(duì)，以此驗(yàn)證有限元仿真模型的準(zhǔn)確性和可靠性。將有限元分析云圖所得結(jié)果與3.4.2中數(shù)據(jù)處理曲線(xiàn)的平均值進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

由表3可知，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值均小于材料的屈服強(qiáng)度，且最大應(yīng)力在C測(cè)點(diǎn)。各個(gè)測(cè)點(diǎn)的有限元應(yīng)力分析值與應(yīng)力測(cè)試值相比，除C測(cè)點(diǎn)誤差達(dá)到了11%外，其余測(cè)點(diǎn)誤差均小于10%。誤差在工程計(jì)算允許范圍內(nèi)，說(shuō)明有限元分析結(jié)果具有可靠性和準(zhǔn)確性，但仍存在一定的誤差[16]。其原因主要來(lái)源于三方面:

表3 有限元應(yīng)力分析值與應(yīng)力測(cè)試值比對(duì)

(1)主體結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，有限元模型是在對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)體模型簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上完成的，與物理模型存在一定差異[16];

(2) 為便于分析，對(duì)結(jié)構(gòu)添加邊界條件時(shí)，忽略了部分對(duì)分析結(jié)果影響不大的約束及載荷；

(3) 在試驗(yàn)過(guò)程中，路況、溫度等環(huán)境因素也會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，有限元軟件無(wú)法完全模擬實(shí)際載荷工況。

綜上分析，基于ANSYS Workbench的有限元分析結(jié)果具有可靠性，且主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足穩(wěn)定性及安全性等要求。本分析結(jié)果已用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)及指導(dǎo)。

5 結(jié)論

(1)由ANSYS仿真結(jié)果可知，平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求。主體結(jié)構(gòu)撓度最大位置在各部分鉸接出的中間位置，這些位置是主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵位置。

(2)有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分析值與試驗(yàn)分析值誤差較小，驗(yàn)證了平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)有限元模型及分析的有效性和準(zhǔn)確性。

(3)文中基于ANSYS Workbench分析計(jì)算得到結(jié)構(gòu)惡劣工況下的應(yīng)力云圖,并且可以通過(guò)改變升降平臺(tái)的升降高度、液壓缸的驅(qū)動(dòng)力等方法來(lái)優(yōu)化主體結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的改進(jìn)工作提供參考。