預(yù)緊裝配下浮動(dòng)瓦塊高溫蠕變分析

楊眉

【摘 要】本文采用彈塑性分析方法和蠕變模型對(duì)預(yù)緊裝配下浮動(dòng)瓦塊進(jìn)行高溫蠕變分析。蠕變分析結(jié)果顯示：高溫下，預(yù)緊對(duì)瓦塊產(chǎn)生的應(yīng)力隨時(shí)間增加而下降，應(yīng)力松弛作用明顯，50小時(shí)后保持穩(wěn)定狀態(tài)，不再發(fā)生變化。蠕變應(yīng)變隨著時(shí)間增加而不斷增加，同樣50小時(shí)后保持穩(wěn)定狀態(tài)，不再發(fā)生變化。其蠕變變形量遠(yuǎn)小于斷裂應(yīng)變，說明在高溫保載下，瓦塊不發(fā)生失效。

【關(guān)鍵詞】瓦塊;彈塑性;蠕變;斷裂

中圖分類號(hào)： TB301文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）20-0085-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.039

0 引言

燃燒室火焰筒是噴氣式航空發(fā)動(dòng)機(jī)中直接與火焰接觸的部件，在其上可以布置隔熱瓦塊進(jìn)行隔熱保護(hù)火焰筒與相連部件的安全。蠕變是材料的固有特性之一，金屬的工作溫度超過其熔化溫度的40%時(shí)就會(huì)發(fā)生蠕變?；鹧嫱补ぷ鲿r(shí)處于高溫、高應(yīng)力狀態(tài)下，所以其材料大部分處于蠕變狀態(tài)[1]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中火焰筒會(huì)受到大小或方向隨時(shí)間變化的循環(huán)交變載荷，會(huì)引起火焰筒產(chǎn)生裂紋、掉塊等故障[2]。某型商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒采用雙層浮動(dòng)壁結(jié)構(gòu)，浮動(dòng)瓦塊和承力壁通過螺栓連接。在裝配時(shí)，對(duì)自鎖螺母施加擰緊力矩。在預(yù)緊力作用下，瓦塊根部出現(xiàn)由于裝配應(yīng)力產(chǎn)生的塑性屈服。因此，在高溫環(huán)境下，瓦塊螺栓連接的根部可能出現(xiàn)由于初始裝配應(yīng)力導(dǎo)致的持久蠕變失效，對(duì)火焰筒組件連接可靠性造成威脅。

本文建立了瓦塊組件的持久蠕變強(qiáng)度計(jì)算模型，通過計(jì)算獲得持久蠕變分析結(jié)果，得到高溫下，瓦塊應(yīng)力和蠕變應(yīng)變隨時(shí)間變化關(guān)系，從而判斷浮動(dòng)瓦塊在高溫下蠕變量，評(píng)估是否產(chǎn)生安全性風(fēng)險(xiǎn)。

1 彈塑性模型

預(yù)緊裝配下的瓦塊高溫蠕變分析時(shí)，預(yù)計(jì)裝配下可能發(fā)生塑性變形，需采用彈塑性模型進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算，瓦塊材料彈塑性應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

3 計(jì)算分析模型

三維模型如圖3所示，按照真實(shí)火焰筒組件試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化建模，模型中包含承力壁、瓦塊、螺釘和螺母。采用六面體網(wǎng)格。螺母與瓦塊螺釘共節(jié)點(diǎn)建為一體，螺母與承力壁，承力壁與瓦塊翻邊采用標(biāo)準(zhǔn)接觸。在瓦塊螺釘上建立預(yù)緊力單元，用于施加裝配擰緊力。

對(duì)瓦塊和承力壁螺栓連接常溫?cái)Q緊裝配力3.2N？m下的變形測(cè)量，在裝配擰緊力下進(jìn)行高溫900℃蠕變分析。

4 蠕變結(jié)果分析

火焰筒組件高應(yīng)力區(qū)位于瓦塊螺釘根部，由裝配預(yù)緊力產(chǎn)生，如圖4所示。隨著時(shí)間增加，火焰筒發(fā)生蠕變變形，螺栓根部發(fā)生應(yīng)力松弛，應(yīng)力隨時(shí)間變化如圖5所示。在前5小時(shí)內(nèi)應(yīng)力下降明顯，應(yīng)力松弛現(xiàn)象顯著。在50小時(shí)以后，應(yīng)力基本不發(fā)生變化。同樣在前5小時(shí)內(nèi)蠕變變形量增加顯著，在50小時(shí)以后蠕變變形量基本不再發(fā)生變化。

產(chǎn)生該現(xiàn)象說明在預(yù)緊裝配應(yīng)力下，在高溫環(huán)境中，隨著時(shí)間增加，預(yù)緊產(chǎn)生的應(yīng)力降低，在應(yīng)力降低的同時(shí)，蠕變變形量增加的速率降低，最后應(yīng)力和蠕變應(yīng)變保持一個(gè)平衡不變狀態(tài)。從計(jì)算結(jié)果可得，蠕變應(yīng)變量在1.3%達(dá)到平衡，該應(yīng)變量小于瓦塊延伸率，因此不會(huì)發(fā)生斷裂失效。

整個(gè)瓦塊在72小時(shí)內(nèi)蠕變變形量為0.0012mm，主要由于瓦塊螺釘根部產(chǎn)生應(yīng)力，其他部位應(yīng)力較小，整個(gè)瓦塊蠕變變形量較小。火焰筒壁面裝配的浮動(dòng)瓦塊數(shù)量較多，各瓦塊之間保持有一定間隙，通過蠕變量計(jì)算，可為設(shè)計(jì)提供初始間隙量，以防止瓦塊在高溫環(huán)境下，瓦塊和瓦塊之間由于間隙量不夠而發(fā)生相對(duì)擠壓干涉，從而影響瓦塊使用安全性。

從分析結(jié)果可知，在持續(xù)高溫環(huán)境下，若火焰筒浮動(dòng)瓦塊只在裝配預(yù)緊力下，隨時(shí)間增加，應(yīng)力發(fā)生松弛，不會(huì)發(fā)生蠕變破壞。需在循環(huán)-蠕變交互作用下，考慮結(jié)構(gòu)安全性。

5 結(jié)論

（1）建立了瓦塊組件的持久蠕變強(qiáng)度計(jì)算模型，模型中包含彈塑性和蠕變模型，通過計(jì)算獲得持久蠕變分析結(jié)果，判斷浮動(dòng)瓦塊在高溫下蠕變量，評(píng)估是否產(chǎn)生安全性風(fēng)險(xiǎn)。

（2）分析結(jié)果顯示：在高溫下，由于蠕變作用，隨時(shí)間增長(zhǎng)，瓦塊發(fā)生應(yīng)力松弛，蠕變變形量增加。在50小時(shí)后，應(yīng)力和蠕變變形量趨于平衡。其蠕變變形量遠(yuǎn)小于斷裂應(yīng)變，說明在蠕變保載下，瓦塊不發(fā)生失效。

（3）蠕變分析結(jié)果為瓦塊間隙量設(shè)計(jì)提供參考值，防止瓦塊之間相互干涉擠壓而影響安全性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]饒壽期.航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫蠕變分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)， 2004，30（1）：10-13.

[2]李全通，景小寧.某型發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒熱彈塑性/蠕變應(yīng)力分析[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，1999（1）：40-43.