沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)管路斷裂故障分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

石 波，戴 進(jìn)，樊根民

(西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)作為增壓輸送、作動(dòng)供氣等系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件[1]，其故障失效問題將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性產(chǎn)生巨大影響，甚至影響任務(wù)成敗。管路系統(tǒng)工作在高溫高壓、振動(dòng)沖擊等惡劣環(huán)境中，在布局空間緊湊、管路走向復(fù)雜和飛行狀態(tài)產(chǎn)品輕量化等約束條件下，管路結(jié)構(gòu)方案在設(shè)計(jì)之初對(duì)疲勞強(qiáng)度安全裕度考慮不足、對(duì)復(fù)雜環(huán)境條件認(rèn)識(shí)不充分給結(jié)構(gòu)方案埋下薄弱環(huán)節(jié)。

近年來，國內(nèi)專家針對(duì)管路結(jié)構(gòu)動(dòng)強(qiáng)度問題了開展了相關(guān)研究。王帥等研究了管路結(jié)構(gòu)在預(yù)載荷及隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件作用下的動(dòng)強(qiáng)度特性的分析方法[2]；杜大華等通過試驗(yàn)和仿真相結(jié)合開展故障機(jī)理分析與故障復(fù)現(xiàn)，提出管路振動(dòng)控制措施，以結(jié)構(gòu)最低動(dòng)應(yīng)力為目標(biāo)、結(jié)構(gòu)頻率禁區(qū)為約束進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高管路抗振性能[3]；任樸林等通過計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)及在隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，分析找出應(yīng)力集中部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[4]；盧金麗等對(duì)飛機(jī)管路振動(dòng)故障進(jìn)行分析，列舉出故障排除方法[5]；薛立鵬等通過理論推導(dǎo)和有限元?jiǎng)恿W(xué)分析總結(jié)出運(yùn)載火箭管路結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞損傷的工程分析方法[6]；方紅榮等基于ABAQUS和nCode軟件開展管路隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命仿真分析[7]。

本文借鑒以上研究經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)方法，針對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)斷裂故障，開展故障機(jī)理分析；通過ANSYS nCode DesignLife軟件對(duì)管路結(jié)構(gòu)開展振動(dòng)疲勞仿真分析，分析故障原因，尋找管路結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)；提出多個(gè)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，利用疲勞壽命仿真計(jì)算優(yōu)選出了最佳方案。

1 管路斷裂故障及機(jī)理分析

1.1 故障概述

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)進(jìn)行飛行工況隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)考核，振動(dòng)沖擊方向滿足總體安裝要求(x向?yàn)轱w行器飛行方向，y/z向與飛行器垂直對(duì)稱面夾角為45°)。先進(jìn)行z向振動(dòng)試驗(yàn)(5 min)，試后產(chǎn)品完好。再進(jìn)行x向振動(dòng)試驗(yàn)，試后檢查發(fā)現(xiàn)充氣閥出口導(dǎo)管(φ4 mm×1 mm)靠近充氣閥端發(fā)生斷裂，斷口如圖1所示，位于轉(zhuǎn)接頭與導(dǎo)管焊縫熱影響區(qū)內(nèi)，斷口錯(cuò)壁約1.5 mm。

圖1 管路斷裂位置Fig.1 Vibration fracture location of pipeline

1.2 斷口理化分析

對(duì)出現(xiàn)斷裂的充氣閥出口導(dǎo)管進(jìn)行了斷口理化分析：斷口平齊，呈金屬銀灰色，未見明顯塑性變形痕跡，多處已磨損；源區(qū)位于導(dǎo)管外表面，表現(xiàn)為多源特征，斷裂沿導(dǎo)管厚度方向由表及里；掃描電鏡觀察，斷口可見細(xì)密的疲勞條紋，如圖2所示。從參考文獻(xiàn)[8]可以判斷導(dǎo)管斷裂屬于振動(dòng)過程中產(chǎn)生的疲勞開裂。

圖2 導(dǎo)管斷口形貌Fig.2 Fracture appearance of pipeline

1.3 故障分析

將充氣閥出口導(dǎo)管斷裂作為頂事件。出現(xiàn)斷裂的幾個(gè)可能原因在于：焊接缺陷、振動(dòng)控制超允差上限、充氣閥支撐結(jié)構(gòu)剛度不足及導(dǎo)管抗振能力弱，建立故障樹如圖3所示。

圖3 故障樹Fig.3 Fracture tree of pipeline

按照相關(guān)技術(shù)文件對(duì)產(chǎn)品開展全面質(zhì)量復(fù)查工作，檢查發(fā)現(xiàn)管路生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)滿足設(shè)計(jì)要求，所有焊縫X光檢查合格，裝配完成后管路氣密試驗(yàn)合格，產(chǎn)品生產(chǎn)過程中無質(zhì)量問題。結(jié)合理化分析結(jié)果，排除產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中焊接存在缺陷X1。

振動(dòng)試驗(yàn)條件如表1和表2所示。檢查振動(dòng)試驗(yàn)三方向的控制響應(yīng)譜，y/z向的控制量級(jí)約21g，x向的控制量級(jí)26.26g，滿足試驗(yàn)容差范圍要求。因此，故障模式X2排除。

表1 x向振動(dòng)試驗(yàn)條件(試驗(yàn)時(shí)間：5 min)

表2 y/z向振動(dòng)試驗(yàn)條件(試驗(yàn)時(shí)間：5 min)

對(duì)管路結(jié)構(gòu)開展模態(tài)仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4和表3所示。

由模態(tài)分析結(jié)果可見，管路結(jié)構(gòu)1階和2階固有頻率均在總體振動(dòng)環(huán)境頻率范圍(10～2 000 Hz)內(nèi)，其余固有頻率為高頻。試驗(yàn)前，對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)品進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)管路結(jié)構(gòu)1階固有頻率為579 Hz，實(shí)測振型與仿真結(jié)果一致。管路結(jié)構(gòu)1階振型為充氣閥帶動(dòng)管路沿x軸向前后擺動(dòng)；2階振型為充氣閥帶動(dòng)管路在yz平面內(nèi)向左右擺動(dòng)。在振動(dòng)過程中，管路結(jié)構(gòu)存在“擺頭”現(xiàn)象，充氣閥出口導(dǎo)管較短，變形能力及抗振能力差，因此故障原因初步定位于模式X3、X4。為了對(duì)管路結(jié)構(gòu)的斷裂損傷開展定量分析，需要對(duì)管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命仿真計(jì)算。

圖4 管路結(jié)構(gòu)前四階模態(tài)振型Fig.4 The first four modal shapes of pipeline model

表3 模態(tài)分析結(jié)果(前6階)

2 管路隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命計(jì)算

2.1 隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析方法

參考文獻(xiàn)[9-10]，振動(dòng)疲勞問題主要考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性(自然頻率、振型、阻尼)對(duì)其受載響應(yīng)及所導(dǎo)致的疲勞破壞具有主要作用或具有不可忽略的顯著影響。當(dāng)振動(dòng)頻率與結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率相當(dāng)時(shí)，即為振動(dòng)疲勞問題； 當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率，即為普通疲勞問題；當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率，以至于與聲波頻率相當(dāng)時(shí)，即為聲疲勞問題。

隨機(jī)振動(dòng)疲勞研究疲勞載荷為隨機(jī)振動(dòng)載荷時(shí)的疲勞壽命問題。隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析通常有兩種方法[11]，即時(shí)域法和頻域法[12-14]。時(shí)域法是通過有限元分析或?qū)崪y得到結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力(應(yīng)變)隨時(shí)間變化關(guān)系，采用適當(dāng)?shù)挠?jì)數(shù)方法，得出不同應(yīng)力(應(yīng)變)水平的幅值和均值的分布情況，然后選取適用的損傷累積準(zhǔn)則及破壞判據(jù)，進(jìn)行疲勞壽命預(yù)估的方法。缺點(diǎn)是針對(duì)隨機(jī)加載過程，記錄數(shù)據(jù)工作量大，有時(shí)甚至難以實(shí)現(xiàn)。頻域法是通過有限元分析或?qū)嶋H測量得到結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力功率譜密度，利用統(tǒng)計(jì)原理獲得相應(yīng)功率譜的相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，結(jié)合應(yīng)力幅值的概率密度函數(shù)，選取適用的損傷累積準(zhǔn)則及破壞判據(jù)，進(jìn)行疲勞壽命預(yù)估。該方法憑借計(jì)算簡單、不需要循環(huán)計(jì)數(shù)等優(yōu)點(diǎn)在汽車、航空、航天等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2.2 隨機(jī)振動(dòng)疲勞仿真計(jì)算

2.2.1 設(shè)計(jì)流程

ANSYS nCode DesignLife是由HBM nCode公司開發(fā)，能夠獨(dú)立使用或集成于ANSYS Workbench平臺(tái)使用的CAE疲勞分析軟件。該軟件集成到Workbench平臺(tái)后，采用項(xiàng)目管理工具進(jìn)行工程項(xiàng)目流程管理，將結(jié)構(gòu)力熱有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入疲勞分析模塊，與傳統(tǒng)分析方法中對(duì)有限元分析結(jié)果導(dǎo)出后手工導(dǎo)入疲勞分析軟件仿真或編程分析的方法相對(duì)比，明顯提高了結(jié)構(gòu)疲勞分析的計(jì)算效率。

隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析首先要進(jìn)行振動(dòng)載荷作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析，然后基于動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)的振動(dòng)疲勞損傷估算。nCode軟件采用頻域法開展結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞損傷分析流程如圖5所示。

圖5 隨機(jī)振動(dòng)疲勞計(jì)算流程圖Fig.5 Flow chart of random vibration fatigue calculation

2.2.2 材料疲勞性能

nCode軟件自帶材料庫擁有200多種材料的S—N、E—N和Dang Van材料曲線數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行自定義材料設(shè)置[15]。

本文中的管路結(jié)構(gòu)采用不銹鋼材料，材料曲線使用軟件材料庫中的材料定義，其余結(jié)構(gòu)材料為高溫合金，參考相關(guān)材料數(shù)據(jù)使用自定義方式設(shè)置材料曲線。

2.2.3 模態(tài)分析

管路結(jié)構(gòu)模態(tài)分析計(jì)算注意事項(xiàng)如下：

1)對(duì)于裝配體，設(shè)置接觸關(guān)系時(shí)需要將非線性接觸轉(zhuǎn)為線性接觸；

2)確定分析模態(tài)數(shù)量的原則，推薦計(jì)算的模態(tài)頻率范圍為PSD激勵(lì)最大頻率的1.5倍；

3)通過設(shè)置模態(tài)重要度水平可以去除不重要的模態(tài)；

4)通過阻尼控制定義阻尼系數(shù)，本文計(jì)算采用模態(tài)阻尼系數(shù)為0.02[16-17]。

2.2.4 隨機(jī)振動(dòng)統(tǒng)計(jì)歷程算法

nCode軟件具有：NarrowBand、Steinberg、Lalanne和Dirlik 4種算法。

Dirlik法[18]利用Monte Carlo進(jìn)行時(shí)域模擬，對(duì)70種不同分布形狀的功率譜密度函數(shù)進(jìn)行研究，提出一個(gè)準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚19-20]，認(rèn)為帶寬過程的應(yīng)力幅值概率密度函數(shù)是一個(gè)指數(shù)分布和兩個(gè)瑞利分布的組合。該方法具有寬泛的技術(shù)應(yīng)用范圍，適用于窄帶和寬帶技術(shù)。本文采用Dirlik方法計(jì)算。

2.2.5 計(jì)算結(jié)果

管路結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析結(jié)果如圖6所示。在z向隨機(jī)振動(dòng)載荷下，管路結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)在充氣閥支座底部，最小壽命為2.998×107s。因此判斷經(jīng)過5 minz向隨機(jī)振動(dòng)考核，管路結(jié)構(gòu)完好。在x向隨機(jī)振動(dòng)載荷下，管路結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)在充氣閥導(dǎo)管出口端，最小壽命為781.1 s。因此判斷經(jīng)過5 minx向隨機(jī)振動(dòng)考核，管路結(jié)構(gòu)在導(dǎo)管出口端斷裂，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果中斷裂位置基本一致。

結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象和仿真計(jì)算結(jié)果，可以判斷充氣閥支撐剛度不足和導(dǎo)管抗振能力弱是造成斷裂的主要原因，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的工況是x向隨機(jī)振動(dòng)工況。

圖6 管路結(jié)構(gòu)壽命計(jì)算云圖Fig.6 Cloud diagram of pipeline structure life calculation

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

經(jīng)過故障分析，基本確定了結(jié)構(gòu)改進(jìn)的思路：通過輔助支撐結(jié)構(gòu)增加充氣閥支撐剛度(方案1)；增加管子直徑(改為φ6 mm×1 mm，方案2)；同時(shí)通過改變焊接結(jié)構(gòu)以增加管子長度改善導(dǎo)管生產(chǎn)工藝性。方案1和方案2的x向隨機(jī)振動(dòng)疲勞計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

從x向隨機(jī)振動(dòng)工況計(jì)算結(jié)果可見，通過輔助支撐結(jié)構(gòu)增加充氣閥支撐剛度的措施對(duì)結(jié)構(gòu)壽命提升效果明顯，且結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到充氣閥支座底部；增加管子直徑的措施對(duì)結(jié)構(gòu)壽命提升效果相對(duì)較小，且結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)仍然位于充氣閥導(dǎo)管出口端。因此，最終確定方案1為結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。

原方案與改進(jìn)結(jié)構(gòu)方案的模態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表4所示，隨機(jī)振動(dòng)疲勞計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表5所示。

從計(jì)算結(jié)果可見，改進(jìn)方案對(duì)比原方案主要提升了管路結(jié)構(gòu)的各階振動(dòng)模態(tài)的頻率，尤其是大幅提升了一階模態(tài)的頻率，從而提高了管路結(jié)構(gòu)的抗振性能，降低了RMS應(yīng)力值和損傷，提高了整個(gè)結(jié)構(gòu)在三方向隨機(jī)振動(dòng)載荷下的壽命。

圖7 管路結(jié)構(gòu)壽命計(jì)算云圖Fig.7 Cloud diagram of pipeline structure life calculation

表4 模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比(前6階)

表5 隨機(jī)振動(dòng)疲勞計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 改進(jìn)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)證情況

改進(jìn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品重新進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)前對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了模態(tài)測量，充氣閥出口導(dǎo)管一階固有頻率為1 382 Hz，與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比偏差小于4.5%，實(shí)測振型與仿真結(jié)果一致。試驗(yàn)按順序依次進(jìn)行x、y、z三方向振動(dòng)試驗(yàn)。每工況試后檢查產(chǎn)品結(jié)構(gòu)完好，產(chǎn)品返廠檢查氣密試驗(yàn)合格。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分解，對(duì)管路結(jié)構(gòu)各條對(duì)接焊縫進(jìn)行X光檢查均合格。改進(jìn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品圓滿通過試驗(yàn)考核。

5 結(jié)論

1)通過軟件仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，推測出疲勞破壞與模態(tài)振型的聯(lián)系，可以對(duì)管路結(jié)構(gòu)斷裂故障原因進(jìn)行初步定位和定性分析。

2)利用ANSYS nCode DesignLife對(duì)結(jié)構(gòu)開展隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命計(jì)算，預(yù)示的管路結(jié)構(gòu)斷裂位置與試驗(yàn)結(jié)果基本一致；對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞失效的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別并提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)思路；通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測和試驗(yàn)考核，驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性。