“瓦倫”結構旋轉沖擊失效建模方法研究

“瓦倫”結構旋轉沖擊失效建模方法研究

史同承1,2柴象海1,2洪偉榮3

1.中航商用航空發動機有限責任公司,上海，2011082.上海商用飛機發動機工程技術研究中心,上海，2011083.浙江大學,杭州，310027

摘要：研究了超塑成形/擴散連接鈦合金空心“瓦倫”結構在旋轉沖擊載荷下失效行為的模擬方法。通過“固連失效接觸”算法模擬了擴散連接焊縫，“瓦倫”結構局部應力集中和局部缺陷對焊縫強度的影響通過定義焊縫的等效拉伸和剪切強度加以考慮，并通過旋轉沖擊試驗對數值模擬結果進行校核。結果表明，所提出仿真分析方法可有效地模擬空心“瓦倫”結構零部件在旋轉沖擊載荷下的失效行為。

關鍵詞：超塑成形；擴散連接；瓦倫結構；旋轉沖擊試驗；數值仿真

中圖分類號：V231.91

收稿日期：2014-09-23

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51205377)；航空科學基金資助項目(2012ZBN2003)；上海市科學技術委員會基礎研究重大項目(12DJ1400500)

作者簡介：史同承,男,1986年生。中航商用航空發動機有限責任公司工程師，上海商用飛機發動機工程技術研究中心設計員。主要研究方向為航空發動機包容性數值分析與適航驗證技術。發表論文2篇。柴象海，男，1979年生。中航商用航空發動機有限責任公司高級工程師，上海商用飛機發動機工程技術研究中心副主任。洪偉榮，男，1964年生。浙江大學化工機械研究所教授。

Study on Modeling Method for Failure of a Warren Structure under Whirligig Impact Load

Shi Tongcheng1,2Chai Xianghai1,2Hong Weirong3

1.AVIC Commercial Aircraft Engine Co.,Ltd.，Shanghai，201108

2.Shanghai Engineering Research Center of Civil Aero Engine，Shanghai，201108

3.Zhejiang University，Hangzhou，310027

Abstract:A modeling method to simulate the failure of a superplastic forming/diffusion bonding titanium Warren girder structure under whirligig impact load was investigated herein. In the proposed model, the effects of local stress concentration and local defect distribution at the girder areas were considered by defining effective tensile and shear strengths. The diffusion bond was incorporated into the finite element model through tie-break contact algorithm. Then，the calibrated bond strength was implemented in the numerical model, of which the result was further compared with whirligig impact tests to validate the rationality of the modeling method. The results show that the proposed method can effectively simulate the failure of the Warren girder structure under whirligig impact load.

Key words: superplastic forming; diffusion bonding; Warren structure; whirligig impact test; numerical simulation

0引言

隨著航空發動機技術的發展，采用超塑成形/擴散連接工藝加工的帶有內部空腔的輕質零部件得到了越來越廣泛的應用。其中的一種典型結構是空心“瓦倫”結構，這種結構具有重量輕、抗振性能好、使用壽命長等優點[1]。研究發現，空心“瓦倫”結構的使用，除了可以減輕航空發動機質量，還可以改善零部件強度性能，提升抗沖擊能力[2]。但是，由于空心“瓦倫”結構的特殊性，零件不同位置的結構形式通常并不一致，在沖擊載荷下失效的規律也不盡相同[3]。對工程設計人員而言，需要找到一種簡單有效的空心“瓦倫”結構強度評估方法，對零件進行抗沖擊性能分析，優化零件結構。

本文以應用于發動機轉子葉片的鈦合金空心“瓦倫”結構為例，針對空心結構在旋轉狀態下脫落后與位于轉子葉片外圈的環形機匣發生撞擊過程中的失效行為開展研究。通過有限元數值模擬和逆向分析的方法評估擴散連接焊縫在旋轉沖擊載荷下的失效強度，并將數值仿真結果與試驗數據相比較，驗證分析模型的有效性。

1超塑成形/擴散連接機理與結構特性

擴散連接是在一定的壓力和溫度條件下，利用被連接金屬表面原子相互擴散，從而形成固態連接的焊接工藝[4]。超塑成形是利用金屬在特定條件(一定的溫度、變形速度和組織)下所具有的超塑性來進行塑性加工的方法[5]。

理論上，與熔焊、釬焊方法相比，擴散連接焊縫的顯微組織和性能與母材更接近，甚至相同。但在實際成形過程中，相關參數(時間、溫度、壓力、零件表面粗糙度、材料組織缺陷等)的控制較為復雜，難以完全避免焊縫缺陷的形成[6]。焊縫強度與材料本體強度之間存在一定的差異。

另外，空心“瓦倫”結構本身幾何特征造成的局部應力集中對結構失效強度的影響也不容忽視。本文所述典型超塑成形/擴散連接“瓦倫”結構如圖1所示。該結構由上下兩塊面板和中間的一塊芯板組成，面板與芯板相接觸的部分通過擴散連接工藝成為一個整體，再通過超塑成形工藝使芯板形成如圖1所示的梯形支架結構，即 “瓦倫”結構。面板與芯板相互接觸的表面之間形成焊縫，焊縫端部區域因幾何特征而形成應力集中區。這種應力集中使得碰撞過程中焊縫端部的材料更易發生失效[3]。

圖1　空心“瓦倫”結構

綜上所述，空心“瓦倫”結構的抗沖擊失效強度是工藝過程與結構幾何特征綜合作用的結果。準確分析其在沖擊載荷下的失效行為存在較大的挑戰。一方面，擴散連接焊縫缺陷尺度非常小，且形態和分布規律復雜，難以在宏觀模型中進行直接模擬。另一方面，精確描述焊縫端部的應力集中需要非常精細的有限元模型，計算時間長，不適用于工程設計。因此，分析這種空心結構的沖擊失效行為需要一種既能夠反映實際焊縫強度，又便于在工程計算中使用的模型。本文采用“固連失效接觸”算法模擬擴散連接焊縫，通過接觸算法當中的剪切應力和正向拉伸應力來評估焊縫的失效強度[7]，并通過沖擊試驗對上述模擬方法進行驗證。

空心“瓦倫”結構在彈道沖擊載荷下的失效模式是一種包含焊縫脫焊、焊縫端部芯板失效、焊縫端部面板失效的組合失效模式，但其中起主導作用的是焊縫脫焊[7]，如圖2所示。在彈道沖擊試驗中，芯板失效和面板失效體現得并不明顯，數值模擬過程中可以忽略。模擬結果如圖3所示，所采用的模擬方法適用于以焊縫脫焊為主的損傷(圖2c)，并不能有效模擬圖2a、圖2b所示的焊縫端部附近面板和芯板失效模式。

(a)面板失效　　　(b)芯板失效(c)焊縫脫焊 圖2　鈦合金空心“瓦倫”結構在沖擊載荷下的失效模式

圖3　采用等效焊縫強度模型的模擬結果

真實的轉子葉片在旋轉條件下脫落后，與轉子葉片外圈的環形機匣發生撞擊所受的沖擊載荷，遠比垂直于靶板的彈道沖擊載荷復雜。轉子葉片脫落后，運動軌跡和失效模式十分復雜。單純依靠焊縫脫焊的形式來模擬空心“瓦倫”結構在旋轉沖擊載荷下的失效形態，并不足以描述實際存在的多種失效模式。實際上，焊縫端部的應力集中除了會使焊縫更易失效外，也會降低此處面板和芯板的強度。因此，在不改變網格密度的情況下，為了能反映應力集中對焊縫端部附近面板和芯板失效的實際影響，在數值模擬中需要對這兩個區域的材料進行一定程度的弱化。

本文首先對鈦合金“瓦倫”結構空心平板試驗件進行旋轉沖擊試驗，然后建立數值仿真模型，在焊縫端部采用相對弱化的材料失效參數，通過模型本身來捕捉結構應力集中，再通過逆向分析擬合出焊縫的失效強度。這樣，能夠更好地反映焊縫端部芯板和面板在沖擊載荷下的失效行為，對于焊縫脫焊、芯板失效、面板失效組合在一起的復雜失效模式具有更好的數值仿真再現能力。

2空心平板試驗件旋轉沖擊試驗

為減少分析變量，簡化分析過程，本文根據航空發動機典型超塑成形/擴散連接零件的結構參數設計了簡化的空心“瓦倫”結構平板試驗件。通過在不同轉速下進行空心平板旋轉沖擊試驗，對鈦合金空心“瓦倫”結構在旋轉沖擊載荷下的失效行為進行研究。

2.1旋轉沖擊試驗概況

采用超塑成形/擴散連接工藝進行等長度直線焊縫“瓦倫”結構鈦合金空心平板試驗件的加工。空心平板試驗件，由上面板、芯板和下面板組成，如圖4所示。

圖4　空心平板試驗件

空心平板旋轉沖擊試驗的試驗設備為立式轉子高速旋轉試驗臺[8]。以內徑1010mm的鋁合金環形試驗件為包容環，在兩種不同的轉子轉速下進行旋轉沖擊試驗，試驗參數見表1。試驗中，輪盤帶動空心平板試驗件高速旋轉，空心平板試驗件厚度方向截面與輪盤厚度方向截面相互垂直，如圖5所示。

表1　空心平板旋轉沖擊試驗參數

圖5　空心“瓦倫”結構旋轉沖擊試驗

飛脫平板在不同的轉速下從輪盤飛脫，與環形試驗件高速撞擊。空心平板在不同轉速旋轉沖擊載荷作用下，呈現出彎折、焊縫脫焊、芯板撕裂、面板撕裂、面板卷曲等典型損傷。

2.2試驗結果分析

通過對試驗結果的分析可以發現，鈦合金空心“瓦倫”結構在旋轉沖擊載荷作用下的失效，不僅包括焊縫脫焊，還包括焊縫端部芯板和面板的失效，甚至在某些區域，芯板和面板先于焊縫發生失效。空心平板旋轉沖擊試驗結果如圖6、圖7所示。

圖6　擴散連接焊縫在旋轉沖擊載荷下的失效

圖7　焊縫端部芯板和面板在旋轉沖擊載荷下的失效

圖6展示了擴散連接焊縫在沖擊載荷下發生脫焊的情況，在該試驗中，芯板與面板之間的焊縫完全脫焊，芯板與面板發生分離。圖7則展示了焊縫尚未發生脫焊，而芯板在接近焊縫的部位斷裂分離，以及焊縫保持完好，而面板卻在接近焊縫的部位發生撕裂的現象。因此，鈦合金空心“瓦倫”結構在旋轉沖擊載荷下的失效模式，是一種包含焊縫脫焊、芯板失效、面板失效的組合失效模式。相比于之前的彈道沖擊試驗，旋轉沖擊試驗中的芯板失效和面板失效更加明顯。

因此，要準確評估鈦合金空心“瓦倫”結構在旋轉沖擊載荷下的失效強度，不僅需要確定擴散連接焊縫的失效應力，還需要考慮焊縫端部應力集中區芯板和面板的失效特性。

圖8展示了擴散連接焊縫在旋轉沖擊載荷下的等效應力分布。從圖8可以看出，受結構應力集中的影響，焊縫端部外圍區域的應力明顯高于其他部位。而且同一條焊縫兩端的應力分布并不對稱。這種在焊縫端部出現應力集中的現象，普遍存在于碰撞過程中的整個空心平板模型中。

圖8　長度方向截面等效應力云圖

3擴散連接焊縫失效參數逆向分析

3.1空心平板試驗件建模

本文采用八節點實體單元對“瓦倫”結構空心平板進行建模，并采用顯式動力學固連失效接觸仿真焊縫連接。為了在模型中反映由結構幾何特征引起的應力集中效應，需要建立相對精細的數值仿真模型，在焊縫端部采用相對弱化的材料失效參數，如圖9所示。模型中，芯板網格單元尺度為0.5mm，面板網格單元尺度為2.0mm。根據圖8所示的應力分布，并綜合考慮旋轉沖擊試驗的整個碰撞時間歷程，在焊縫端部應力集中區的芯板厚度方向每層各取2個單元，面板厚度方向第1層取1個單元，給這些單元賦予相對其他單元較小的材料失效塑性應變參數，以模擬焊縫端部的應力集中效應對芯板和面板失效特性的影響。

圖9　焊縫端部區域建模示意圖

超塑成形/擴散連接焊縫強度采用帶失效模型的固連失效接觸進行模擬。接觸設置中，相互接觸的兩個面被設置為主接觸面和從接觸面。通過接觸面法向拉伸失效應力和剪切失效應力表征焊縫失效強度。失效判定準則為

(σn/σ)2+(τs/τ)2≥1

式中，σ、τ分別為焊縫拉伸和剪切失效的應力；σn、τs分別為接觸面上實際受到的拉伸和剪切應力。

3.2逆向分析過程

采用顯式動力學有限元計算模型對空心平板試驗件擴散連接焊縫失效進行數值模擬，將序列二次規劃方法[9]作為尋優算法。首先通過手動分析調試，固化材料模型、網格密度、接觸剛度等輸入變量對模擬結果的影響，將空腔處焊縫拉伸失效應力σ1和剪切失效應力τ1、前尾緣處焊縫拉伸失效應力σ2和剪切失效應力τ2、芯板弱化單元失效塑性應變與材料本體失效塑性應變的比值Ec、面板弱化單元失效塑性應變與材料本體失效塑性應變的比值Ew作為輸入變量，將空心平板試驗件的變形作為尋優目標函數的構成要素，以非接觸區域的焊縫失效作為約束，通過尋優算法找出使數值模擬結果與試驗結果關聯度最好的失效應力水平。

以表1所述第一次試驗結果為尋優目標，約束Dd為距離空心平板碰撞前緣135.0mm處組成焊縫的相接觸的芯板和面板之間的距離，Dd目標值為0，即該處焊縫不發生失效。目標量D1為上面板碰撞前緣寬度方向中心點與約束點之間的距離，D2為上面板距離碰撞前緣67.5mm處寬度方向中心點與約束點之間的距離，D3為下面板碰撞前緣寬度方向中心點與約束點之間的距離，D4為下面板距離碰撞前緣67.5mm處寬度方向中心點與約束點之間的距離。目標量D1、D2、D3、D4用以衡量上下面板的變形以及焊縫脫焊的程度，如圖10所示。D1、D2、D3、D4目標值分別為93.0mm、81.0mm、120.0mm、89.0mm。

圖10　尋優和約束參數

根據手動分析結果，設置空腔處和前尾緣處焊縫拉伸/剪切失效應力、弱化單元失效塑性應變與材料本體失效塑性應變比值的尋優初始值，對表1中的第一次試驗尋優分析可得到焊縫失效應力：σ1=750MPa，τ1=720MPa，σ2=880MPa，τ2=850MPa。弱化單元失效塑性應變與材料本體的比值Ec=90%，Ew=80%。

尋優分析結果與表1所述第一次旋轉沖擊試驗結果對比如圖11所示，計算得到的空心平板損傷形態與試驗結果較為吻合。

(a)試驗結果

(b)尋優分析結果 圖11　第一次試驗尋優分析結果

4分析模型驗證

采用前一節逆向分析得到的空心平板焊縫強度以及焊縫端部瓦倫材料弱化系數，對表1中的第二次試驗進行模擬，以驗證本文所述仿真建模和分析方法的有效性，結果如圖12、圖13所示。

(a)試驗結果(正面)

(b)分析結果(正面)

(c)試驗結果(側面)

(d)分析結果(側面) 圖12　第二次試驗的試驗結果與分析結果

圖13　分析結果中的焊縫、芯板、面板失效

圖12中，仿真模型出現焊縫脫焊、面板卷曲等損傷形態，與第二次試驗結果相吻合。圖13則展示了仿真得到的空心“瓦倫”結構失效細節，包含焊縫脫焊、芯板失效、面板失效等損傷特征，與圖6、圖7所示的試驗結果相吻合。

數值仿真結果與第二次旋轉沖擊試驗結果的對比如表2所示。空心平板旋轉沖擊數值仿真與試驗結果的對比分析表明，本文所建立的帶焊縫失效的鈦合金“瓦倫”空心結構平板分析模型有效模擬了空心“瓦倫”結構零部件在旋轉沖擊載荷下的失效行為。

表2　第二次試驗特征參數對比

5結語

本文采用固連失效接觸模擬焊縫的物理特性，并采用相對弱化的材料失效參數反映應力集中對焊縫端部區域的影響。采用逆向分析標定了不同位置焊縫拉伸失效應力、剪切失效應力、弱化單元失效塑性應變與材料本體失效塑性應變的比值等參數，并通過旋轉沖擊試驗對上述參數進行了驗證。結果表明，該數值模型可有效地模擬空心“瓦倫”結構零部件在旋轉沖擊載荷下的失效行為。

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(編輯張洋)