某型油箱疲勞壽命估算

張里偉，黃曉霞，胡益富，熊 盼

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

飛機(jī)油箱在飛行過程中處于非常復(fù)雜的動力學(xué)環(huán)境中，除了受到機(jī)體傳遞到油箱結(jié)構(gòu)上的振動載荷外，飛機(jī)執(zhí)行大過載機(jī)動、著陸、起降等動作時，油箱結(jié)構(gòu)還會受到內(nèi)部燃油的沖擊載荷作用。這種復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境給油箱結(jié)構(gòu)的安全帶來了不利影響。通常，可以通過試驗技術(shù)和仿真分析技術(shù)對油箱結(jié)構(gòu)在復(fù)雜力學(xué)環(huán)境下的安全可靠性進(jìn)行評估。然而試驗不僅耗費巨大，而且在試驗過程中伴隨著巨大的風(fēng)險，因此有必要對油箱振動問題進(jìn)行動力學(xué)分析，并估算其使用壽命。

某型號油箱在振動臺井字形支架上進(jìn)行振動試驗，試驗進(jìn)行到19小時左右時，油箱橫向隔板開孔處發(fā)生破壞。而油箱在該工況下的設(shè)計使用壽命為30小時。本文利用MSC/Patran軟件建立某型油箱試驗?zāi)Ｐ停⑦M(jìn)行動力學(xué)分析，采用名義應(yīng)力法和線性累積損傷理論估算油箱危險部位的疲勞壽命，為后續(xù)設(shè)計的改進(jìn)提供參考。

1 油箱動力學(xué)模型建立

1.1 油箱網(wǎng)格劃分

試驗油箱主要由外蒙皮及內(nèi)部橫、豎隔板組成，隔板上開有通油孔，油箱整體為對稱結(jié)構(gòu)，如圖1所示。油箱總?cè)萘繛?0升，試驗時油箱中充有三分之二的水。油箱外蒙皮典型厚度為1.0mm和1.2mm，材料為LF2，LF2材料彈性模量為71000MPa，泊松比為0.33，密度為2680kg/m3；油箱內(nèi)部隔板典型厚度為0.8mm和1.0mm，材料為LF21，LF21材料彈性模量為71000MPa，泊松比為 0.33，密度為 2730kg/m3。

根據(jù)油箱結(jié)構(gòu)承力方式建立油箱整體有限元模型，油箱內(nèi)部隔板有限元模型如圖2所示。

1.2 油箱液體的處理

現(xiàn)階段包含流體的結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題常采用的方法有：虛擬質(zhì)量法、附加質(zhì)量法以及流固耦合法等。結(jié)合現(xiàn)有軟件、計算規(guī)模和實施難度，本文采用只考慮流體質(zhì)量影響的附加質(zhì)量法進(jìn)行分析。

圖1 油箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 油箱有限元模型

試驗時油箱中充有三分之二的水，經(jīng)容積計算得水深度約為267mm。即在有限元模型中共淹沒7432個節(jié)點，在這些節(jié)點處創(chuàng)建質(zhì)量單元，每個單元質(zhì)量為0.00359kg，如圖3所示。

圖3 附加質(zhì)量法新增質(zhì)量單元示意圖

1.3 油箱載荷及約束

試驗時油箱放置于振動臺的井字形支架上，再通過兩根尼龍帶進(jìn)行固定。底部施加幅值為0.3mm，頻率為35Hz的正弦激勵。固定有限元模型中綁帶處約束X、Y、Z三個方向位移，在底部井字形支架處施加與試驗相同的正弦激勵。

2 油箱動力學(xué)分析

本文利用Nastran軟件計算油箱模型在正弦激勵下的瞬態(tài)響應(yīng)，考慮到計算規(guī)模，僅計算0.2s，取結(jié)構(gòu)阻尼0.2。經(jīng)計算，可得到油箱隔板各典型位置處隨時間變化的位移、應(yīng)變及應(yīng)力；典型位置根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行選取，其在有限元模型中的節(jié)點標(biāo)識如圖4、圖5所示，應(yīng)力時間曲線結(jié)果如圖6～圖9所示，從曲線可知應(yīng)力穩(wěn)定后為周期變化。

圖4 油箱橫向隔板典型位置節(jié)點標(biāo)識

圖5 油箱縱向隔板典型位置節(jié)點標(biāo)識

圖6 Node 3372復(fù)合應(yīng)力時間曲線

圖7 Node 2517復(fù)合應(yīng)力時間曲線

圖8 Node 10194應(yīng)力時間曲線

圖9 Node 11217應(yīng)力時間曲線

由圖6～圖9可知，節(jié)點3372和節(jié)點11217應(yīng)力水平較高，選取這兩處位置進(jìn)行壽命估算分析。節(jié)點3372處最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力如圖10、圖11所示；節(jié)點11217處最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力如圖12、圖13所示。

圖10 Node 3372最大主應(yīng)力時間曲線

圖11 Node 3372最小主應(yīng)力時間曲線

圖12 Node 11217最大主應(yīng)力時間曲線

圖13 Node 11217最小主應(yīng)力時間曲線

3 危險點壽命估算

由圖10～圖13及有限元模型可知，典型位置處節(jié)點3372和節(jié)點11217應(yīng)力水平見表1。

表1 危險點應(yīng)力水平

根據(jù)上述計算結(jié)果，采用名義應(yīng)力法和線性累積損傷理論估算危險點的壽命。由于試驗載荷為幅值0.3mm，頻率35Hz的正弦激勵，故認(rèn)為危險點處載荷譜為等幅譜，且1s作為一塊，級數(shù)為1，共35個頻次。由于缺乏LF21的S-N曲線數(shù)據(jù)，本文采用LY12替代。估算疲勞壽命時考慮分散系數(shù)為4，經(jīng)計算節(jié)點3372共357142塊，則壽命為89286s,即24.8小時；節(jié)點11217共357142塊，則壽命為89286s,即24.8小時。

壽命估算說明油箱設(shè)計無法滿足30小時壽命的設(shè)計要求。試驗進(jìn)行到19小時，在節(jié)點3372附近發(fā)生破壞，與估算值相近。

4 結(jié)論

以附加質(zhì)量法為基礎(chǔ)，針對含三分之二容積水的油箱建立動力學(xué)模型，進(jìn)行了瞬態(tài)分析和壽命估算，暴露了結(jié)構(gòu)的振動危險部位，對試驗的驗證及設(shè)計的改進(jìn)具有指導(dǎo)意義。