某型懸臂梁結構散熱器振動強度分析及結構優化設計

李超　仇振安　焦鵬程

摘 要：近年來，航空發動機懸臂梁結構散熱器產品數量增多，部分產品在進行振動試驗時安裝耳片處出現振裂故障，為避免此類產品振動故障的發生，采用ANSYS對某懸臂梁結構散熱器進行隨機振動分析。結果表明：產品應力最大處位于安裝耳片過渡圓角處。在產品設計時，應著重考慮安裝耳片處的強度，以降低產品振動時出現故障的風險。

關鍵詞：懸臂梁結構;散熱器;安裝耳片

中圖分類號：TU832.23文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）15-0034-04

Abstract： In recent years， the number of “cantilever beam” structure heat exchanger products in XINHANG has increased， and some products have vibration crack failure at the mounting lug during vibration test. In order to avoid the occurrence of vibration failure of such products， ANSYS is used to analyze the random vibration of a “cantilever beam” structure heat exchanger. The analysis results show that the maximum product stress is located at the excessive fillet of the mounting lug. In the design of the product， the strength of the mounting lug should be considered to reduce the risk of failure when the product vibrates.

Keywords： cantilever beam; heat exchanger;mounting lug

燃滑油散熱器是航空發動機滑油系統的重要附件。隨著發動機結構的緊湊設計，主機單位在設計滑油系統時，更傾向于將燃滑油散熱器設計成懸臂梁結構。該結構形式在振動、沖擊、加速度等環境下，容易造成結構件斷裂等故障，其中振動的破壞性最為嚴重[1]。為此，需要在設計時充分考慮產品的結構強度，采用仿真軟件對產品結構進行強度校核，識別出產品結構的薄弱環節。

1 某民機產品振動試驗要求

根據《機載設備的環境條件和測試程序》（RTCA DO-160F）第8章節振動試驗要求[2]，某型發動機配套燃滑油散熱器的試驗譜線如下。

1.1 隨機譜線部分

10～300 Hz范圍內，功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）為0.02 g2/Hz;300～2 000 Hz范圍內，功率譜密度（PSD）由0.02 g2/Hz均勻變化到0.002 g2/Hz。正弦譜線部分見表1。

1.2 產品結構設計

該發動機燃滑油散熱器結構如圖1所示。其主要由法蘭盤、殼體、散熱芯體、滑油壓差旁通活門、端蓋組成，主要通過5個安裝螺釘固定在發動機油濾機匣上，為懸臂梁式結構。新鄉航空工業（集團）有限公司類似懸臂梁結構燃滑油散熱器在進行振動試驗時曾出現安裝耳片處斷裂的故障。

經分析，振動故障的出現主要是因為安裝耳片處應力集中、振動工裝設計不合理。耳片處屬于變截面，其應力集中系數與過渡圓角[R]有關。假如變截面如圖2所示，則階梯板條的應力集中系數如式（1）所示。

式中：[K]為應力集中系數;[B]為階梯板條回轉半徑;[b]為階梯板條回轉半徑;[R]為變截面處過渡圓角。

從式（1）可以看出：應力集中系數[K]與過渡圓角[R]具有較大關系，過渡圓角[R]越小，應力集中系數越大。

為避免同類故障，對安裝耳片進行了強化設計，材料選用6061-T6棒料，安裝耳片厚度設計為8 mm，安裝耳片與法蘭之間過渡圓角[R]設計為2 mm，加工方法為機加工，法蘭盤結構見圖3。

2 仿真分析

2.1 模型簡化

本次仿真主要考核產品整體剛度。建立仿真模型時，對散熱器內部的散熱管進行部分簡化，采用質量點和質量等效體簡化。

2.2 網格劃分

網格劃分是仿真分析的重要環節之一[3]，采用四面體網格劃分，并對小特征處進行網格加密處理。

2.3 坐標系建立

仿真環境的全局坐標系見圖4，后續隨機振動仿真中的載荷激勵方向將按照該坐標系軸向進行施加。

2.4 隨機振動分析

在進行振動仿真分析前，要先進行模態分析，模態分析結果主要包括固有頻率和模態振型，固有頻率分析結果見表2，前三階模態振型見圖5。

隨機振動應力結果如圖6所示。

從等效應力分布云圖可以看出，除去應力奇異點，最大應力處位于法蘭盤安裝耳片過渡圓角處，最大應力值為20.1 MPa，查《中國航空材料手冊》可知，6061-T6的疲勞強度為96 MPa，產品能夠滿足振動要求，安全系數為4.7。

2.5 試驗驗證

根據仿真結果對產品法蘭盤安裝耳片處進行局部優化，優化后產品按第2節振動試驗譜進行振動試驗，順利通過試驗考核，[Z]方向試驗臺設置及振動曲線見圖7。

3 結果分析

從仿真結果及同類產品故障模式看，此類懸臂梁結構散熱器的結構強度薄弱點主要位于法蘭安裝耳片處。在產品設計時需要注意以下幾個方面：法蘭盤材料選用強度較高、焊接性能優良的6系鋁合金;盡可能增大安裝耳片與機體之間的過渡圓角;盡可能減小焊接變形對安裝耳片的影響，優先選用脹接結構;采用必要的仿真計算進行強度校核。

根據新鄉航空工業（集團）有限公司同類產品振動試驗經驗，振動工裝的設計對振動試驗影響較大，在進行振動試驗時，需要注意以下幾個方面：振動工裝選擇剛度好的材料，便于力的傳遞;針對懸臂梁結構散熱器類產品的振動工裝，工裝與產品法蘭安裝面的粗糙度、平面度應與產品一致或高于產品法蘭形位公差要求。

參考文獻：

[1]編著委員會.力學環境試驗技術[M].西安：西北工業大學出版社，2003：5-11.

[2]機載設備的環境條件和測試程序：RTCA DO-160F[EB/OL].（2007-12-06）[2021-03-04]. https：//img65.chem17.com/1/20200605/637269507592432424624.pdf.

[3]凌桂龍.ANSYS Workbench 15.0從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2014：45-55.

[4]《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊：第3卷[M].北京：中國標準出版社，2002：399-404.

[5]許曉東.民機環控系統建模與仿真技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2018：21-32.