基于ANSYS Workbench 的某型航空发动机用截止阀冲击故障的分析.pdf

内燃机与配件.77基于 ANSYS Workbench 的某型航空发动机用截止阀冲击故障的分析孙路（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安7 10 30 0）摘要：某型航空发动机在试验过程中，发生一处重要零件截止阀断裂的现象。为了分析故障产生的原因，以截止阀为研究对象，用Solidworks2o16软件创建三维实体模型，导入有限元软件ANSYSWorkbench对其进行模态仿真分析，得到了截止阀的前六阶模态频率，进行了模拟瞬间冲击作用下的响应谱分析，得到X、Y、Z 方向等效应力云图。结果表明，在阀本体和法兰盘结合处位置承受乙方向（垂直）应力过大，造成截止阀断裂，找到了冲击故障的原因，证明该结构设计存在问题应予以优化改进。关键词：断裂；截止阀；ANSYSWorkbench；模态分析；响应谱分析中图分类号：TH138.52Impact Failure Analysis of A Certain Type Aero EngineCut-off Valve Based on ANSYS Workbench(Shaanxi Institute of Technology,Shaanxi Xian 710300)Abstract:During the test of a certain type of aero-engine,an important part of the cut-off valve broke.In or-der to analyze the causes of failure,the cut-off valve as the research object,we created a three-dimensional solidmodel with Solidworks2016 software,imported the finite element software ANSYS Workbench for modal simula-tion analysis,obtained the first six modal frequencies of the cut-off valve,and carried out response spectrum a-nalysis under the simulated instantaneous impact.The equivalent stress of X,Y,Z and direction was obtained.The results show that the excessive Z-direction(vertical)stress at the junction of the valve body and flange cau-ses the cut-off valve to break,and the cause of impact failure is found,which proves that there are problems inthe design of the structure should be optimized and improved.Key words:Breakage;Cut-off valve;ANSYS Workbench;Modal analysis;Response spectrum analysis0引言截止阀是一种应用最广泛的截断类阀门之一，它按指令在规定的时间内，接通或切断管路，控制管道中的液体，在石油化工、电力、航天航空领域中发挥着重要的作用。截止阀作为航空设备的重要元件，实现了介质传输、截止、调节等功能，其结构强度和密封性直接影响到航空设备的安全可靠运行。图1断裂的截止阀作者简介：孙路（19 7 1一）男，河南开封人，汉族，副教授，工程硕士学位，研究方向：机械设计与制造，CAD/CAM。文献标识码：A文章编号：16 7 4-9 57 X(2023)16-0077-03Sun Lu在某型航空发动机的地面试验中，在测试过程中发动机产生极大的瞬间冲击振动，其中一重要部件截止阀发生了断裂,如图1所示，而该截止阀是经过力学环境试验的合格产品，材料性能也符合航空设备要求。为了找到故障发生的原因，利用ANSYSWorkbench对截止阀进行有限元分析，依靠该有限元软件的成熟可靠强大的处理功能，分析阀体结构的固态频率和响应谱，计算各阶模态下的冲击振动，得到阀体承受的冲击应力，找出截止阀断裂的原因，为以后的结构优化提供理论依据。1建立阀体有限元模型SOLIDWORKS软件广泛应用于航空航天、汽车、通用机械、医疗器械等领域，是一种面向产品级的通用设计工具，它以参数化特征造型为基础，全面采用非全约束的特征建模技术，适用于各种复杂形体的建模。本文研究的发动机用截止阀在工作时的主要组成部件为阀体、活塞和管接头等零部件，由于阀体受空间体积所限，因此在结构设计上，采用了悬臂梁的结构方式，活塞作为装配在阀体内部的形体，对阀体的强度没有影响，且未出现断裂现象，故无需建模。基于SOLIDWORKS2016软件，首先根据外形尺寸绘78制阀体、管接头的二维草图，对草图进行智能标注、添加几何关系等操作，草图完成后进行草绘特征编辑，利用拉伸凸台、圆角、倒角、切除旋转、切除拉伸等特征完成单个实体创建。截止阀的零部件建模完成后就可以根据要求进行装配。首先新建一个装配体文件，保持装配体处于打开状态，选择插入零部件，在对话框中点击浏览包含所需插入装配体的零件文件，依次选择要插入的零部件即可，最先插入的零部件是整个装配体的最关键的零件，为SOLIDWORKS软件默认的固定件，之后插人的零部件都是以此为基础，本装配选择阀体为装配基准，插人两管接头零件后，设置准确的装配关系，两个管接头与阀体零件之间的配合约束关系为重合约束，完成了阀体的三维实体模型,如图2 所示。为了减小建模的难度，将结构上较小的倒角、圆角忽略掉，为保证后续有限元分析结果的准确性，内、外螺纹均采用扫描切除命令得到真实的螺纹。图2 截止阀三维实体模型为了在ANSYS Workbench中对阀体进行冲击振动特性分析，将SOLIDWORKS创建好的三维实体模型文件导人ANSYSWorkbench16.0。某航空用截止阀采用的材料为铝合金2 A14一T6，是Al一Cu一Mg一Si铝合金属系可热处理强化变形铝合金，具有较高的强度、塑性以及可焊性能等优点，是制造武器装备和航空器结构件的重要材料。尤其是随着航空航天铝合金结构件逐步向整体轻量化发展，其应用愈发广泛。其主要物理性能如表1所示。表1截止阀材料参数材料参数数值密度/(kg/m3)2800弹性模量E/GPa71泊松比u0.33抗拉强度ob/MPa440屈服强度s/MPa340定义该截止阀零件材料的弹性模量、泊松比、密度导等参数值，将参数添加人EngineeringData的工具箱中，定义材料属性。截止阀实体模型创建完毕后，必须对其进行网格划分以便生成包含节点和单元的有限元模型，网格的划分是有限元分析必不可少的步骤，网格划分的质量将直接影响到求解分析的精度以及求解的速度。ANSYSWorkbench有强大的网格划分功能，它提供的网格划分对于三维几何体有几种不同的方法，常用的网格划分方法包括：四面体/三角形（Patch Conforming 和 Patch Independent）、扫掠（S w e e p）、自动（Automatic）六面体主导（HexDominant）、多区划分(MultiZone)。2023年第16 期果采取较复杂的网格划分方法会导致网格质量降低，会产生较差的结果，另考虑到效率以及对计算机求解速度和准确度，这里采用自动设置四面体单元进行网格划分，生成的截止阀有限元模型如图3所示。图3截止阀的有限元模型2模态分析一般对于爆炸冲击响应的探究主要通过实验进行，伴随着计算机技术的发展，利用有限元模型进行模拟的方式得以推广。通过仿真方式，将其应用于模型之上并与试验所得到的结果进行对比，最终利用有限元法进行有效可靠的对冲击响应环境的模拟。模态分析在工程中被广泛应用，因为它可以用于计算系统结构的固有频率和模态振型，能确定结构和机器零部件的振动特性。模态分析最终是为了分析出系统的模态参数，提供振动特性分析、振动故障诊断和预报，完成结构动力特性的优化设计。在ANSYSWorkbench16.0中，应用Toolbox中的Model(模态分析），创建截止阀的模态分析项目。模态分析中不存在结构和热载荷，全面准确地分析截止阀的动态特性需要进行约束分析，约束模态更能反映实际工作的动态特性，且低阶振型对结构的影响最大，根据截止阀的工作原理、环境温度和预紧力矩对截止阀零部件变形的影响，截止阀模态分析的初始条件和边界条件为：截止阀右端的耳朵型法兰盘是利用螺栓与安装板连接，也就是螺纹连接，为了贴合阀体实际安装状态，故将截止阀右端的法兰盘设置为固定约束。从振动理论可以得知，高阶模态对振动系统的响应结果影响较小，且逐渐变弱，随着振型阶次的增加，固有频率增大，激发高阶能态的振动载荷的能量减弱，且结构在高阶振动下的节点数更多，振动不容易被激发。而低阶模态对于结构系统振动响应影响较大，因此在分析过程中只需要考虑低阶模态，所以本文只求解截止阀前6 阶的模态。模态频率分析如图4所示，模型前6 阶固有模态频率如表2所示。B:ModtfTotal DeformationType:Total DoformationUnit:mmFrequency:1107.6Hz2018/1/1523:48105.86 Max94.09782.33570.57358.811GcometryPrintPreviewRepontPreviewGrophAnimation口m6871.160001000.2000.000.0.00210FramesM2Sec(Auto)50.0075.00100.0:(mm)TabularDataModeFrequency tHal1107.61116.33059.85142.166871.15920.3通过分析可以看出截止阀形状结构相对较为规则，多图4模态频率分析为回转圆柱体和六面体且没有较薄或圆环形的的部位，如内燃机与配件表2 截止阀前六阶固有频率阶数固有频率/Hz11107.621116.333059.845142.155920.366871.13响应谱分析响应谱分析是分析计算结构受到瞬间载荷作用时所产生的最大响应。它主要反应时间历程载荷特征，以便确定结构对随机载荷或随时间变化载荷（如喷气发动机推力、火箭发动机振动等）的动力响应情况。响应谱是系统在给定激励下的最大响应值与系统或激励的某一参数之间的关系图,这里最大响应值为最大应力出现的时刻。产品进行的冲击响应谱，为多自由度系统的强迫振动，激励源为加速度激励。在实际工程上需要了解系统震动的位移和加速度的最大响应值。对于作用时间很短的冲击，通常选择无阻尼系统描绘响应谱，因为出现最大响应值时，阻尼还未来得及消耗大量能量，可以不计阻尼影响，同时忽略阻尼所带来的误差使计算结果更偏于安全。在工程实际中需要了解系统振动的位移和加速度的最大值，即物体受到冲击载荷作用后的最大响应值。用响应谱分析法对截止阀结构进行分析可以采用ANSYSWorkbench16.0中的Response Spectrum模块,ResponseSpectrum是一种计算模型应力的分析技术，它能将模态分析结果与已知频谱紧密联系起来。振型反应谱分析主要有单点反应谱分析和多点反应谱分析。模型的一个点集上指定一个反应谱响应为单点反应谱分析；模型的不同点集上指定不同的反应谱响应即为多点反应谱分析。根据截止阀使用环境和受力特点，主要承受的是瞬间冲击响应，为了计算产品在X（纵向）、Y（横向）、Z（垂向）方向的冲击响应谱作用下整个结构的响应情况，本文采用单点响应谱分析，重点分析在X（纵向）、Y（横向）、Z（垂向)方向的冲击响应谱作用下整个结构的响应情况。将模态分析中得到的结果加人到响应谱分析模块(Re-sponse Spectrum),加载加速度谱，按照 X(纵向)、Y(横向）、Z(垂向)方向依次加载，求解完成后，依次得截止阀中本体的X方向、Y方向、Z方向等效应力云图。图5、图6 和图7 分别为截止阀在冲击响应谱作用下本体的应力云图。e图5X方向的等效应力云图Mesgn图6 Y方向的等效应力云图.79ANSYMaM图7 Z方向的等效应力云图从X、Y、Z 三个方向的等效应力云图可知，在X方向出现的最大应力值以及Y方向出现的最大应力值都不大，分别为7 3.152 MPa和2 9 6.8 9 2 MPa，都位于法兰盘和阀体融合处，均低于本体材料屈服强度340 MPa，而Z方向最大应力值也出现在法兰盘和圆筒结构的结合处，为532.84MPa，远大于屈服强度340 MPa，也大于本体材料的抗拉强度（2 A14一T6抗拉强度为440 MPa），截止阀中的本体在冲击响应谱作用下的最大应力如表3所示。根据分析结果，本体的出现断裂的危险截面就在法兰盘和圆筒结构的结合处，乙方向应力过大，在冲击响应条件下会造成截止阀的本体材料的失效。这与实际实验过程中阀体断裂方向和位置一致。因此该截止阀阀体结构存在设计问题，应在后期优化予以改进优化。表3本体三个方向的最大应力（冲击响应谱）方向X(纵向)最大应力/MPa73.1524结论本文以某航空发动机用截止阀为例，用SOLID-WORKS2016三维实体软件创建其实体模型，通过有限元软件ANSYSWorkbench对其进行模态分析，得到该结构的前6 阶固有频率，在模态分析的基础上，对其进行响应谱分析，分析其受冲击振动承受的应力，结果显示在阀本体和法兰盘结合处位置承受Z方向（垂直）应力过大，造成截止阀断裂，证明该结构设计存在问题应予以优化改进。参考文献：1于良振，王明琳，张海波基于SolidWorks的电磁截止阀虚拟设计及动态仿真 JI.液压气动与密封，2 0 12，(4):8-10.2凌桂龙.ANSYSWorkbench15.0从入门到精通M.清华大学出版社，2 0 14.3罗泽明，郑丽，丁伟.基于ANSYS的某型航空发动机涡轮叶片的振动特性分析JI.现代机械，2 0 14，（2）：36-39.ANSYS4 徐京荆ANSYSWorkbench工程实例详解M人民邮电出版社，2 0 15.5张永伟，康兴无.基于ANSYSWorkbench的某通信发射塔模态及地震响应谱分析 J.兵器装备工程学报，2016,(11):83-86.6诸宇，罗阳，陈建，等.某真空容器室模态及地震响应谱分析 J.兵器装备工程学报，2 0 17，（9）：18 4-18 7.ANSYS7段礼祥，郝少鹏，张北，等基于ANSYS的往复压缩机国产活塞响应谱分析 J.石油机械，2 0 17,45（12）：6 2-6 6.8吴彬，黄晓萍，连碧华，卢彬.基于ANSYSWorkbench的汽车传动轴参数建模及振动特性分析 J.南方农机,2 0 2 2,(2)：12 9-13 1.9 李晓波，梁晓宁，孙静波.2 A14-T6铝合金棒材机加工断裂原因分析 J.轻合金加工技术，2 0 2 1，（11）：55-57.Y(横向)296.89Z(垂向)532.84