某型懸臂梁結(jié)構(gòu)散熱器振動(dòng)強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李超　仇振安　焦鵬程

摘 要：近年來(lái)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)懸臂梁結(jié)構(gòu)散熱器產(chǎn)品數(shù)量增多，部分產(chǎn)品在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)安裝耳片處出現(xiàn)振裂故障，為避免此類產(chǎn)品振動(dòng)故障的發(fā)生，采用ANSYS對(duì)某懸臂梁結(jié)構(gòu)散熱器進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析。結(jié)果表明：產(chǎn)品應(yīng)力最大處位于安裝耳片過(guò)渡圓角處。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重考慮安裝耳片處的強(qiáng)度，以降低產(chǎn)品振動(dòng)時(shí)出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：懸臂梁結(jié)構(gòu);散熱器;安裝耳片

中圖分類號(hào)：TU832.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）15-0034-04

Abstract： In recent years， the number of “cantilever beam” structure heat exchanger products in XINHANG has increased， and some products have vibration crack failure at the mounting lug during vibration test. In order to avoid the occurrence of vibration failure of such products， ANSYS is used to analyze the random vibration of a “cantilever beam” structure heat exchanger. The analysis results show that the maximum product stress is located at the excessive fillet of the mounting lug. In the design of the product， the strength of the mounting lug should be considered to reduce the risk of failure when the product vibrates.

Keywords： cantilever beam; heat exchanger;mounting lug

燃滑油散熱器是航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的重要附件。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的緊湊設(shè)計(jì)，主機(jī)單位在設(shè)計(jì)滑油系統(tǒng)時(shí)，更傾向于將燃滑油散熱器設(shè)計(jì)成懸臂梁結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)形式在振動(dòng)、沖擊、加速度等環(huán)境下，容易造成結(jié)構(gòu)件斷裂等故障，其中振動(dòng)的破壞性最為嚴(yán)重[1]。為此，需要在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，采用仿真軟件對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，識(shí)別出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

1 某民機(jī)產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)要求

根據(jù)《機(jī)載設(shè)備的環(huán)境條件和測(cè)試程序》（RTCA DO-160F）第8章節(jié)振動(dòng)試驗(yàn)要求[2]，某型發(fā)動(dòng)機(jī)配套燃滑油散熱器的試驗(yàn)譜線如下。

1.1 隨機(jī)譜線部分

10～300 Hz范圍內(nèi)，功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）為0.02 g2/Hz;300～2 000 Hz范圍內(nèi)，功率譜密度（PSD）由0.02 g2/Hz均勻變化到0.002 g2/Hz。正弦譜線部分見表1。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該發(fā)動(dòng)機(jī)燃滑油散熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要由法蘭盤、殼體、散熱芯體、滑油壓差旁通活門、端蓋組成，主要通過(guò)5個(gè)安裝螺釘固定在發(fā)動(dòng)機(jī)油濾機(jī)匣上，為懸臂梁式結(jié)構(gòu)。新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司類似懸臂梁結(jié)構(gòu)燃滑油散熱器在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)曾出現(xiàn)安裝耳片處斷裂的故障。

經(jīng)分析，振動(dòng)故障的出現(xiàn)主要是因?yàn)榘惭b耳片處應(yīng)力集中、振動(dòng)工裝設(shè)計(jì)不合理。耳片處屬于變截面，其應(yīng)力集中系數(shù)與過(guò)渡圓角[R]有關(guān)。假如變截面如圖2所示，則階梯板條的應(yīng)力集中系數(shù)如式（1）所示。

式中：[K]為應(yīng)力集中系數(shù);[B]為階梯板條回轉(zhuǎn)半徑;[b]為階梯板條回轉(zhuǎn)半徑;[R]為變截面處過(guò)渡圓角。

從式（1）可以看出：應(yīng)力集中系數(shù)[K]與過(guò)渡圓角[R]具有較大關(guān)系，過(guò)渡圓角[R]越小，應(yīng)力集中系數(shù)越大。

為避免同類故障，對(duì)安裝耳片進(jìn)行了強(qiáng)化設(shè)計(jì)，材料選用6061-T6棒料，安裝耳片厚度設(shè)計(jì)為8 mm，安裝耳片與法蘭之間過(guò)渡圓角[R]設(shè)計(jì)為2 mm，加工方法為機(jī)加工，法蘭盤結(jié)構(gòu)見圖3。

2 仿真分析

2.1 模型簡(jiǎn)化

本次仿真主要考核產(chǎn)品整體剛度。建立仿真模型時(shí)，對(duì)散熱器內(nèi)部的散熱管進(jìn)行部分簡(jiǎn)化，采用質(zhì)量點(diǎn)和質(zhì)量等效體簡(jiǎn)化。

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是仿真分析的重要環(huán)節(jié)之一[3]，采用四面體網(wǎng)格劃分，并對(duì)小特征處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。

2.3 坐標(biāo)系建立

仿真環(huán)境的全局坐標(biāo)系見圖4，后續(xù)隨機(jī)振動(dòng)仿真中的載荷激勵(lì)方向?qū)凑赵撟鴺?biāo)系軸向進(jìn)行施加。

2.4 隨機(jī)振動(dòng)分析

在進(jìn)行振動(dòng)仿真分析前，要先進(jìn)行模態(tài)分析，模態(tài)分析結(jié)果主要包括固有頻率和模態(tài)振型，固有頻率分析結(jié)果見表2，前三階模態(tài)振型見圖5。

隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力結(jié)果如圖6所示。

從等效應(yīng)力分布云圖可以看出，除去應(yīng)力奇異點(diǎn)，最大應(yīng)力處位于法蘭盤安裝耳片過(guò)渡圓角處，最大應(yīng)力值為20.1 MPa，查《中國(guó)航空材料手冊(cè)》可知，6061-T6的疲勞強(qiáng)度為96 MPa，產(chǎn)品能夠滿足振動(dòng)要求，安全系數(shù)為4.7。

2.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)產(chǎn)品法蘭盤安裝耳片處進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，優(yōu)化后產(chǎn)品按第2節(jié)振動(dòng)試驗(yàn)譜進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，順利通過(guò)試驗(yàn)考核，[Z]方向試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置及振動(dòng)曲線見圖7。

3 結(jié)果分析

從仿真結(jié)果及同類產(chǎn)品故障模式看，此類懸臂梁結(jié)構(gòu)散熱器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱點(diǎn)主要位于法蘭安裝耳片處。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下幾個(gè)方面：法蘭盤材料選用強(qiáng)度較高、焊接性能優(yōu)良的6系鋁合金;盡可能增大安裝耳片與機(jī)體之間的過(guò)渡圓角;盡可能減小焊接變形對(duì)安裝耳片的影響，優(yōu)先選用脹接結(jié)構(gòu);采用必要的仿真計(jì)算進(jìn)行強(qiáng)度校核。

根據(jù)新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司同類產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，振動(dòng)工裝的設(shè)計(jì)對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)影響較大，在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，需要注意以下幾個(gè)方面：振動(dòng)工裝選擇剛度好的材料，便于力的傳遞;針對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)散熱器類產(chǎn)品的振動(dòng)工裝，工裝與產(chǎn)品法蘭安裝面的粗糙度、平面度應(yīng)與產(chǎn)品一致或高于產(chǎn)品法蘭形位公差要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]編著委員會(huì).力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003：5-11.

[2]機(jī)載設(shè)備的環(huán)境條件和測(cè)試程序：RTCA DO-160F[EB/OL].（2007-12-06）[2021-03-04]. https：//img65.chem17.com/1/20200605/637269507592432424624.pdf.

[3]凌桂龍.ANSYS Workbench 15.0從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014：45-55.

[4]《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè)：第3卷[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002：399-404.

[5]許曉東.民機(jī)環(huán)控系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2018：21-32.