某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)力學(xué)性能校核

程 林,賈會(huì)星,楊 靖

(滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,安徽 滁州 239000)

0 引言

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)作為航空運(yùn)輸?shù)囊环N重要的地面保證設(shè)施,是一個(gè)國(guó)家軍事、航空領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一[1],所以一直以來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家將航空發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸參數(shù)和材料工藝等數(shù)據(jù)作為國(guó)家機(jī)密實(shí)行長(zhǎng)期技術(shù)壟斷。因此,我國(guó)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)的研究,還處于認(rèn)知和不斷嘗試的初級(jí)階段[2]。早在20世紀(jì)70年代中期,美國(guó)研制出一種新型的液壓助力拆裝車(chē),主要服務(wù)于F-14和F-15兩款軍用戰(zhàn)斗機(jī),同時(shí)期成功研制出一款體積更小質(zhì)量更輕的緊湊型液壓助力發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)[3]。因此,發(fā)達(dá)國(guó)家在飛機(jī)拆裝領(lǐng)域擁有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì),尤其是軍用戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝技術(shù)方面,早已形成一整套較為完備的拆裝體系[4]。我國(guó)對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)的研究歷史較短、經(jīng)驗(yàn)較少[5]。大連理工大學(xué)的雷海峰[6]、趙哲[7]對(duì)拆裝車(chē)的數(shù)控調(diào)姿平臺(tái)進(jìn)行研究,研發(fā)出一種通過(guò)PLC編程技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并調(diào)整拆裝車(chē),但拆裝車(chē)的整體體積和質(zhì)量均偏大,缺少輕量化設(shè)計(jì)。武漢理工大學(xué)的鄭繼波[8]對(duì)拆裝車(chē)的吊裝設(shè)備進(jìn)行了研究,并通過(guò)有限元對(duì)拆裝車(chē)的吊裝設(shè)備進(jìn)行靜力學(xué)的結(jié)構(gòu)分析,校核各種工況下的強(qiáng)度及剛度,但局限性也很突出,校核位置不具有代表性。本文以自主設(shè)計(jì)研發(fā)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)為研究對(duì)象,主要校核其在非工作狀態(tài)及工作狀態(tài)下載荷在極端位置處的受力情況,確保拆裝車(chē)在極端工況下也能滿(mǎn)足工作要求。

1 三維數(shù)模及前處理

1.1 三維數(shù)模

因各軟件之間的格式轉(zhuǎn)換,可能會(huì)使三維數(shù)模丟失部分?jǐn)?shù)據(jù),導(dǎo)致面與面之間出現(xiàn)縫隙及重疊問(wèn)題,這個(gè)缺陷會(huì)影響三維數(shù)模網(wǎng)格質(zhì)量,降低工程仿真的精度和準(zhǔn)確性[9]。因此,必須對(duì)三維數(shù)模進(jìn)行必要的前處理,保證網(wǎng)格質(zhì)量及仿真精度。處理后的發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)三維數(shù)模如圖1所示。

圖1 處理后的發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)三維數(shù)模

發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)的網(wǎng)格數(shù)模如圖2所示。

建模后對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理是必不可少的,為縮短仿真計(jì)算的時(shí)間,對(duì)影響較小的特征元素進(jìn)行必要的刪除[10]。總計(jì)單元數(shù)909 291個(gè),其中四面體單元CTETRA數(shù)為317 862個(gè);殼單元數(shù)量:CTRIA 35 273個(gè),CQUAD 429 864個(gè);質(zhì)量單元CONM2為5個(gè);體單元數(shù)量:CPENTA為 4 068個(gè),CHEXA為101 257個(gè);模擬螺栓連接66個(gè),模擬焊接單元20 896個(gè)。網(wǎng)格單元?jiǎng)澐值臉?biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 網(wǎng)格單元?jiǎng)澐值臉?biāo)準(zhǔn)

1.2 材料參數(shù)

在劃分好的網(wǎng)格數(shù)模中賦予單元材料屬性,本文發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)采用高強(qiáng)度的碳錳鋼16MnL[1],材料機(jī)械性能如表2所示。

表2 材料機(jī)械性能

為校核航空發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)極限狀態(tài)下的力學(xué)性能,必須分析發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)滿(mǎn)載工況下的運(yùn)行能力。滿(mǎn)載(工作載荷)包括:拆裝車(chē)在工作時(shí)承受的發(fā)動(dòng)機(jī)載荷和自身載荷。發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)承受的載荷如表3所示。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)承受的載荷

1.3 約束方式

拆裝車(chē)不同工作狀態(tài)下的約束方式如表4所示。具體約束方式為兩類(lèi):非工作狀態(tài)(拆裝車(chē)空車(chē)行駛時(shí)),工作狀態(tài)(拆裝車(chē)維修航空發(fā)動(dòng)機(jī))[11]。

表4 拆裝車(chē)不同工作狀態(tài)下的約束方式

2 支撐腿未支撐時(shí)的仿真

拆裝車(chē)非工作狀態(tài)下的約束方式如表5所示,該狀態(tài)為拆裝車(chē)行駛時(shí),車(chē)輪旁的支撐腿未放下。

表5 拆裝車(chē)非工作狀態(tài)下的約束方式

經(jīng)仿真求解后,拆裝車(chē)位移及應(yīng)力云圖如圖3所示,其中,圖3(a)為位移云圖,圖3(b)為應(yīng)力云圖。由圖3(a)可知,航空發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)最大位移量為13.94 mm,位于拆裝車(chē)承載側(cè)的端部和滑架的端部,縱觀整個(gè)位移云圖來(lái)看拆裝車(chē)變形量較小,滿(mǎn)足整體剛度設(shè)計(jì)要求。由圖3(b)可知,拆裝車(chē)最大應(yīng)力值為188.6 MPa,位于拆裝車(chē)軸線(xiàn)滾轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)連接的支撐板處。因設(shè)計(jì)時(shí)支撐板處存在銳角和缺口,因此該處外輪廓急劇變化極易產(chǎn)生應(yīng)力集中。為增強(qiáng)整體力學(xué)性能,選取高強(qiáng)度的碳錳鋼16MnL為拆裝車(chē)的材料,該結(jié)構(gòu)鋼的安全系數(shù)范圍為1.3～1.5,為盡可能保證拆裝車(chē)的強(qiáng)度和剛度,校核時(shí)選取安全系數(shù)上限1.5;經(jīng)計(jì)算拆裝車(chē)的校核強(qiáng)度低于16MnL材料的許用值(355 MPa)。綜上,可推斷拆裝車(chē)的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖3 拆裝車(chē)位移及應(yīng)力云圖

3 支撐腿初始位置處承載

3.1 載荷在左端

拆裝車(chē)載荷在左端極限工況下的約束條件如表6所示,該工況下支撐腿在初始位置,且已放下起到支撐固定拆裝車(chē)的作用,在該工況下對(duì)拆裝車(chē)的剛度及強(qiáng)度進(jìn)行校核,確保發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)整體結(jié)構(gòu)性能符合要求。

表6 拆裝車(chē)載荷在左端極限工況下的約束條件

經(jīng)仿真求解后,載荷在左端極限位置處的位移及應(yīng)力云圖如圖4所示。由圖4(a)可知,該工況下航空發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)最大位移量為11.12 mm,最大位移位置為拆裝車(chē)滑架的端部和承載兩側(cè)的端部,縱觀整個(gè)拆裝車(chē)位移云圖來(lái)看變形量較小,滿(mǎn)足整體剛度設(shè)計(jì)要求。由圖4(b)可知,拆裝車(chē)最大應(yīng)力值為175.3 MPa,位于拆裝車(chē)軸線(xiàn)滾轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)右側(cè)連接的支撐板。因設(shè)計(jì)時(shí)支撐板處存在銳角和缺口,因此該處外輪廓急劇變化極易產(chǎn)生應(yīng)力集中。該工況最大應(yīng)力值較無(wú)支撐腿支撐的最大應(yīng)力值小,遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力值(355.0 MPa),滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)整體強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖4 載荷在左端極限位置處的位移及應(yīng)力云圖

3.2 載荷在右端

拆裝車(chē)載荷在右端極限工況下的約束條件如表7所示,該工況下支撐腿在初始位置,且已放下起到支撐固定拆裝車(chē)的作用,在該工況下對(duì)拆裝車(chē)的剛度及強(qiáng)度進(jìn)行校核,確保發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)整體結(jié)構(gòu)性能符合要求。

表7 拆裝車(chē)載荷在右端極限工況下的約束條件

經(jīng)仿真求解后,載荷在右端極限位置處的位移及應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 載荷在右端極限位置處的位移及應(yīng)力云圖

由圖5(a)可知,該工況下航空發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)最大位移量為12.23 mm,位于拆裝車(chē)滑架的端部和承載兩側(cè)的端部,其最大位移量較無(wú)支撐腿支撐的最大位移量小,滿(mǎn)足拆裝車(chē)整體剛度設(shè)計(jì)要求。由圖5(b)可知,拆裝車(chē)最大應(yīng)力值為187 MPa,位于升降機(jī)構(gòu)支撐板右側(cè)。因設(shè)計(jì)時(shí)支撐板處存在銳角和缺口,因此該處外輪廓急劇變化處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中。該工況最大應(yīng)力值較無(wú)支撐腿支撐的最大應(yīng)力值小,遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力值(355 MPa),滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)整體強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文以自主設(shè)計(jì)研發(fā)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)為研究對(duì)象,校核其在非工作狀態(tài)及工作狀態(tài)下載荷在極端位置處的受力情況。結(jié)果表明:非工作狀態(tài)下,該拆裝車(chē)的最大應(yīng)力值及最大位移量分別為188.6 MPa及13.94 mm,最大應(yīng)力位于拆裝車(chē)軸線(xiàn)滾轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)連接的支撐板處,最大位移位于拆裝車(chē)承載側(cè)的端部及滑架的端部;工作狀態(tài)下,載荷在右端時(shí)拆裝車(chē)受力最大,最大應(yīng)力值及最大位移量分別為187.0 MPa及12.23 mm,最大應(yīng)力位于升降機(jī)構(gòu)支撐板右側(cè),最大位移位于拆裝車(chē)滑架的端部和承載兩側(cè)的端部;在校核發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝車(chē)的強(qiáng)度和剛度時(shí),發(fā)現(xiàn)多數(shù)零部件的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值,導(dǎo)致材料的性能浪費(fèi),因此,對(duì)拆裝車(chē)進(jìn)行輕量化優(yōu)化是后續(xù)研究的重點(diǎn)。