某型機載儲液器極限壓力試驗研究及優化設計

郭徽 仇振安 劉建平

摘 要：本文以某型儲液器為對象，進行極限壓力試驗研究，對儲液器進行剖切分析發現產品設計中的缺陷，并進行相應的優化設計。優化后的產品滿足7.5MPa的極限壓力試驗要求，保證了產品的研制進度。

關鍵詞：儲液器；極限壓力；優化設計

中圖分類號：TB65 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2017）03-0072-02

Abstract： Based on a certain type of reservoir， this paper carried out experimental study of the ultimate perssure. By cutting the reservoir， the defect in product design was found， and the corresponding optimal design was carried out. The optimized product meet the 7.5MPa limit pressure test requirements， to ensure the product development schedule.

Keywords： reservoir；extreme pressure；optimization design

儲液器是某型機蒸發循環制冷裝置的配套產品。其功能是儲存蒸發循環制冷裝置內工作狀態的多余制冷劑，并連續供輸液態制冷劑[1]。儲液器的結構如圖1所示。

儲液器初始極限壓力設計指標為4.5MPa，考慮到機上可能出現的特殊環境，系統需求將儲液器極限壓力由4.5MPa提高為7.5MPa[2]。因此，需要對儲液器極限壓力進行試驗研究，確認其是否滿足系統需求。

1 儲液器極限壓力試驗研究

1.1 極限壓力試驗情況

抽取3套儲液器產品（編號：001、002、003）進行極限壓力試驗，試驗方法如下：①先緩慢升壓至6.0+0.2MPa，保壓5min，觀察產品有無變形及泄漏，并記錄，若產品無泄漏，則繼續進行試驗；②繼續增壓，每次增加0.2MPa，保壓2min，觀察產品有無變形及泄漏，并記錄，若產品無泄漏，則繼續進行試驗直到壓力值達到7.5+0.2MPa，保壓2min，產品允許變形，但不允許泄漏；③試驗后檢查產品氣密性[3]。

三套產品的試驗結果如表1所示。產品無法滿足極限壓力7.5MPa的要求，需要對儲液器結構進行優化設計。

1.2 原因分析

選取編號為003的儲液器進行分析，經觀察泄漏處位于封蓋與出口管焊縫處，泄漏處可見一條裂紋，裂紋長度約2mm，如圖2所示。

將封蓋與出口管焊縫進行垂向剖切，可看到焊縫實際焊接狀態如圖2所示。根據HB/Z119-2011《鋁及鋁合金熔焊工藝及質量檢驗》的要求，母材厚度大于3mm時熔深不小于10%，通過觀察，焊接質量達到標準要求。

焊縫采用氬弧焊角焊縫連接，隨著壓力逐漸增大，封蓋與殼體產生塑性變形，內側根部向內凹陷，母材之間形成夾角，焊縫背部形成應力集中區域。當產品內部壓力達到一定值時，應力集中到一定程度導致焊縫撕裂。

2 儲液器優化設計

2.1 優化設計方案

根據上述的原因分析，需要對儲液器的焊縫進行優化改進。優化方案如下：出口管與封蓋連接處焊縫向外移動，由角焊縫改為對接焊縫，保證出口管與封蓋100%焊合，如圖3所示。

2.2 仿真分析

為驗證上述改進方案是否有效，以封蓋與出口管焊接部位作為重點關注對象，分別建立角焊縫模型與焊縫外移對接焊縫模型以作對比。儲液器產品各個零件的材料及相關屬性見表2。優化前后2種方案的應力結果見圖4、5。

通過觀察2種方案應力結果圖可以看出，原結構在6.0MPa下紅色截面厚度已占總厚度的1/2，而結構優化后封蓋與出口管、殼體與底座焊縫連接處紅色截面厚度約占總厚度的1/5，不超出截面厚度的1/3，滿足3A21材料拉伸強度80%的強度要求。因此，從仿真分析結果來看，優化方案可以滿足產品7.5MPa極限壓力要求。

2.3 試驗驗證

根據優化設計方案對儲液器進行改進，并對改進后首件進行極限壓力試驗，先加壓至6.0MPa并保壓5min后，產品出現塑性變形但無泄漏，然后繼續增壓，每次增壓0.2MPa并保壓2min，增壓至7.7MPa并保壓2min后，產品的塑性變形加大但無泄漏現象。可以認定優化后產品滿足7.5MPa的極限壓力試驗要求，該優化方案切實可行。

3 結論

通過對某型機載儲液器進行極限壓力試驗研究，發現焊縫是影響儲液器極限壓力的重要因素，并有針對地進行了相應的優化設計，通過仿真分析與試驗相結合的方式驗證了優化措施的有效性，滿足了系統的新需求。

參考文獻：

[1]李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench設計、仿真與優化[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2]《中國航空材料手冊》委員會.中國航空材料手冊[M].北京：中國標準出版社，2001.

[3]機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.