航空發動機薄壁機匣激光焊接有限元數值模擬

摘 要：隨著經濟的不斷發展，科技的不斷進步，激光焊接在各行各業中都有著廣泛的應用。在航空發動機中最為重要的部件是薄壁機匣，要想有效的對航空發動機薄壁幾下激光焊接有限元數值進行分析和模擬，就必須要利用SYSWELD這一軟件來進行有效的分析激光焊接的功能，針對激光焊接有限元數值模擬，對有限元模擬進行一定的建立，還要模擬航空發動機薄壁機匣在激光焊接時的應力場、溫度場以及各種變化情況，還要根據從熱源問題中進行有效的分析和研究，能夠通過激光焊接工藝來解決問題。

關鍵詞：航空發動機；薄壁機匣；激光焊接；有限元數值

在航空發動機燃燒室中，需要進行激光焊接有限元數值模擬能夠有效的保證航空發動機的性能。燃燒室內薄壁機匣是航天發動機最重要的構件之一，燃燒室薄壁機匣在激光焊接過程中更容易變形，進一步影響了燃燒室的性能，為了能夠滿足航天發動機燃燒室性能的需要，就必須要對航天發動機薄壁機匣進行激光焊接有限元數值的模擬，能夠從模擬中找到合適的方案，進而能夠有效的提高燃燒室的性能，本文就對航空發動機薄壁機匣激光焊接有限元數值模擬進行簡單的分析和闡述。

1.建立有限元模型

隨著社會經濟的不斷進步，科技的不斷發展，動力裝置在燃燒室內的運行提出了更高的要求，要想有效的滿足燃燒室內的性能，就必須做出一定的有限元數值模擬，其中最重要的就是要建立有限元模型，對模擬起到了一定的基礎性的作用。

1.1對燃燒室模型的分析

（1）隨著科技的進步，航空發動機對燃燒室的要求越來越高，必須使得燃燒室能夠有效的滿足航空發動機，才能充分體現出航空發動機的性能。航空發動機燃燒室一般都是短環直流的燃燒室，燃燒室是燃料在進行燃燒中生成高溫燃氣的一種裝置，這種燃燒裝置中的擴壓器出口與火焰筒二者的軸線不重疊，這二者之間有著一定的角度，當火焰筒的位置離燃燒室內壁越近，內環通道小于外環通道的面積。

（2）在航空發動機燃燒室外壁機匣中，它是一個對稱的回旋體，針對它的整體結構來說是非常對稱的，通過這種對稱，也可以得出航空發動機薄壁機匣的模型也必須是對稱的，才能有效的滿足模擬的真實性，進而能夠通過模擬來滿足航空發動機的性能；在進行對航空發動機燃燒室機匣邊上焊接時，由于螺孔較小，在焊接過程中不會產生任何影響，因此，為了能夠有效的精確數值，可以對螺孔的焊接忽略不計。

1.2對有限元網格的劃分

（1）隨著電子計算機不斷的發展，有限元也有著一定的發展，逐漸的演變為現代計算方法，有限元通過變分方法，能夠使得誤差達到最小值并且還能產生穩定解。建立完燃燒室的模型，就要對有限元的網格進行一定的劃分。在激光焊接中，它的密度交稿，加熱的區域較小，在進行劃分過程中，必須要求在激光焊接附近使用小的有限元網格，在離激光焊接位置較遠的使用大的有限元網格。

（2）通過按照以上有限元網格劃分的原則，在SYSWLED中對燃燒室薄壁機匣進行網格的劃分，劃分出來的網格必須要與受力點進行相對用，在劃分網格之后，根據結構的實際特點，為了能夠使得數值更加精確，就必須要進行有效的調整，燃燒室模擬中的溫度場和應力場是非常中的，要保證溫度場和應力場都使用相同的有限元網格。

（3）在模擬中為了能夠使得激光焊接精度高、質量好，因此在進行激光焊接過程中要進行低速的激光焊接，使用低速激光焊接，能夠使得焊縫中的氣體有效的排出，避免出現裂紋的現象；還要采用圓錐形熱源模型，能夠使得更加的準確對航空發動機燃燒室薄壁機匣激光焊接的模擬。

2.建立激光焊接熱源的模型

根據有限元的分析中，建立良好的激光焊接熱源模型，能夠使計算出來的結果更加準確，激光焊接精度高且質量好。建立熱源的模型其中最重要的兩部分就是溫度場和應力場，這二者對計算結果也起到了至關重要的作用。在模型建立中，熱源模型也有著一定的發展，從而通過發展能夠得到較為準備的溫度場和應力場。在進行激光焊接過程中，它會有著一定的物理現象：熔化、凝固等，在進行激光焊接中，單位質量的物質在等溫的情況下，從一個相變化到兩外一個相吸收熱量的功能，這是固體、氣體、液體之間的相互轉換。通過利用熱源模型對航空發動機薄壁機匣進行有限元的計算中，焊縫中心的應力要比焊接頭應力的數值要小。

3.對激光焊接有限元數值的計算

3.1對溫度場進行分析

在進行航空發動機薄壁機匣激光焊接中，距離焊縫中心越近的位置溫度就越高，距離焊縫中心越遠的位置溫度就越低，所以在激光焊接過程中焊縫周圍有著一定的溫度梯度，隨著時間的增加，機匣整個溫度都會趨于均勻。

3.2對應力場進行分析

在進行航空發動機薄壁機匣激光焊機過程中，通過利用SYSWELD軟件使用簡潔耦合分析法進行分析，在激光焊接過程中，隨著焊接位置距離的增大應力的分布沒有太大的變化，基本保持一致；在當激光焊接結束時，機匣焊縫內表面的應力就會增加，距離較近的應力值較大，距離較遠的應力值較小。

4.激光焊接的發展

激光是繼原子能、計算機、半導體之后，又一個重大的發明。激光焊接在現如今有著非常廣泛的應用，也有著非常好的優點：激光焊接要求的密度較高，質量較好，在焊縫處中變形小，有著一定的美觀，還可以通過焊絲能夠有效的改善焊縫的性能，激光焊接在工業中有著廣泛的應用，不僅能夠促進了焊接自動化的發展，而且還能帶動工業經濟的發展。

5.結語

綜上所述，對航空發動機薄壁機匣激光焊接有限元數值模擬，能夠通過激光焊接能夠有效的滿足燃燒室的性能。隨著經濟的不斷發展，科技的不斷進步，激光焊接在各行各業中都有著非常廣泛的應用，比如在：航空航天、汽車、機械、海洋工程等多方面。激光焊接技術是現代制造工程中最先進的方法之一，通過各行各業的廣泛應用，能夠有效的促進激光焊接的自動化，并且在航空航天中，能夠有效的滿足發動機燃燒的動力裝置。

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作者簡介：范凱（1988.11-），男，大學本科，安徽太和，助理工程師，發動機材料。