某APU主安裝孔二次冷擠壓強化殘余應力分析

摘""要：為了在某型輔助動力裝置（Auxiliary"power"unit，APU）主安裝孔周引入殘余應力，以延長安裝節的疲勞壽命，采用二次冷擠壓強化技術，基于ABAQUS仿真軟件建立了彈塑性有限元模型，對主安裝孔二次冷擠壓強化過程進行了仿真，獲得了孔邊殘余應力的分布規律。結果表明，通過二次冷擠壓強化的安裝孔周形成了穩定的殘余壓應力，為該技術在輔助動力裝置安裝節連接孔等結構強化上的應用及強化工藝設計提供了理論依據。

關鍵詞：冷擠壓強化""殘余應力""鈦合金""數值仿真""輔助動力裝置

中圖分類號：TG376.3

Analysis"of"Residual"Stress"of"secondaryin"Cold"Extrusion"Strengthening"of"the"Main"Installation"Holes"of"a"Certain"Auxiliary"Power"Unit

HUANG"Wenbo""XU"Yanyun""YIN"Jun""YU"Yibo

AECC"AVIC"Hunan"Aviation"Power"Machineryplant"Research"Institute，"，Zhuzhou，"Hu’nan"Province，"412002"China

Abstract："："In"order"to"introduce"residual"stress"around"the"main"mounting"holes"of"a"certain"type"of"Auxiliary"Power"Unit"（APU）"and"extend"the"fatigue"life"of"the"mounting"joints，"the"secondary"cold"extrusion"strengthening"technique"was"adopted."Based"on"the"ABAQUS"simulation"software，"an"elastoplastic"finite"element"model"was"established"to"simulate"the"secondary"cold"extrusion"strengthening"process"of"the"main"mounting"holes，"and"the"distribution"law"of"the"residual"stress"at"the"hole"edges"was"obtained."The"results"show"that"a"stable"residual"compressive"stress"is"formed"around"the"mounting"holes"strengthened"by"secondary"cold"extrusion，"which"provides"a"theoretical"basis"for"the"application"of"this"technique"in"the"structural"strengthening"such"as"mounting"joints"of"and"connection"holes"of"APU"mounting"joints"and"the"design"of"strengthening"processes.

Key"Wwords："："Cold"extrusion"strengthening;"Residual"sStress;"Titanium"alloy;"Numerical"simulation;"Auxiliary"power"unit

輔助動力裝置（Auxiliary"power"unit，APU）作為提高飛機或直升機自主保障能力的重要設備，已在現代航空領域廣泛應用。其本質是一種具有輸出壓縮空氣或軸功率功能的小型燃氣渦輪發動機，因此在進行安裝設計時需要考慮發動機工作中因熱應力等原因產生的承力部件疲勞問題。某小型輔助動力裝置為簡化結構、減輕重量，采用簡單螺栓連接作為主傳力方式，主安裝節為帶孔的單耳片形式，對稱布置在機匣兩側。該種安裝結構無法在熱膨脹條件下進行位移補償，因此熱膨脹導致的應力將作用在安裝孔的周圍，產生隨工作溫度變化的交變載荷，引發安裝節的疲勞問題。

對于典型的帶孔耳片結構，工程上主要有冷擠壓[1，2]、噴丸、激光強化等改善疲勞壽命的方法，其中冷擠壓強化因其簡潔有效的特點，在航空領域應用廣泛，并且眾多研究也為其提供了充足理論支撐[3，4]。毛建興等[5]對GH4169孔結構開展了冷擠壓強化條件下的疲勞裂紋擴展行為研究，證明了孔擠壓強化后結構疲勞裂紋擴展速率大幅度降低。劉儒軍等人[6]研究了壓合襯套二次冷擠壓對鋁合金耳片的強化效果，并分析了強化過程對孔表面殘余應力、塑性變形及粗糙度的影響。

本文基于ABAQUS有限元軟件，建立某輔助動力裝置主安裝節安裝孔二次孔擠壓強化的數值仿真模型，模擬先進行芯棒冷擠壓再進行壓合襯套二次冷擠壓的強化過程，獲得并分析擠壓強化后孔邊殘余應力的變化情況，為壓合襯套冷擠壓強化工藝及芯棒結構的設計與制造提供理論支撐。

1""冷擠壓強化原理及工藝過程

冷擠壓強化工藝是使孔壁發生彈塑性變形并引入殘余壓應力的過程，圖1為冷擠壓強化后孔壁存在的典型殘余應力圖。擠壓過程使孔壁表層產生切向殘余壓應力，在遠離孔壁位置產生切向殘余拉應力。冷擠壓后，殘余壓應力減小了拉-拉疲勞載荷的峰值應力及平均應力，孔壁受到的實際載荷遠小于外部載荷，從而達到疲勞增壽的效果。

本文所研究的二次冷擠壓工藝采用無縫壓合襯套進行第二次擠壓強化，強化過程如圖2所示。引入壓合襯套可以實現較高的過盈擠壓量，強化效果好，并可以有效改善試樣兩端殘余應力的不均勻性。

2""數值仿真分析

2.1""冷擠壓模型建立

采用ABAQUS有限元軟件對二次冷擠壓所涉及的安裝節耳片、芯棒1（第1次冷擠壓使用）、無縫襯套和芯棒2（第2次冷擠壓使用）進行建模。安裝節耳片選用一種屈服強度較高的鈦合金材料TB6，芯棒1和芯棒2選用硬度更高的軸承鋼GCr15，無縫襯套則選用一種常見的不銹鋼材1Cr17Ni3，3種材料參數如表1所示。由于擠壓過程重點關注安裝節耳片的強化效果，材料參數可以不設置芯棒的屈服強度。

安裝節耳片的厚度為10"mm，安裝孔內徑為Φ20"mm，芯棒1的工作段直徑為Φ20.41"mm；第二次冷擠壓時，無縫襯套的外徑為Φ20"mm，內徑為Φ16"mm，芯棒2的工作段直徑為Φ16.8"mm。對冷擠壓模型進行網格劃分，如圖3所示，并采用8節點六面體減縮積分單元（C3D8R）。考慮在孔附近會有較大的應力集中，為提高計算精度對孔邊網格進行細化。對安裝節耳片下表面節點添加Z方向位移約束，模擬強化中下方的支撐臺面。

為使兩次擠壓過程在同一個計算模型中完成模擬，將擠壓過程分為3個分析步：第一分析步模擬芯棒1的擠壓強化過程；第二分析步模擬無縫襯套置入孔內的過程；第三分析步模擬芯棒2的擠壓強化過程。為保證在擠壓過程中芯棒及襯套不發生轉動，在相應的分析步中對芯棒及襯套添加繞Z軸的轉動約束，芯棒及襯套的移動通過添加Z向位移實現。

2.2""仿真結果及分析

在交變載荷作用下，孔應力集中和疲勞損傷主要發生在邊緣區域，根據冷擠壓強化原理，應重點關注孔邊殘余應力在強化后的分布情況。對本文所研究的安裝節而言，熱膨脹變形所產生的交變工作載荷主要來源于X、Y兩個方向，因此選取這兩個方向上的3條典型路徑進行研究，如圖3所示。考慮安裝節耳片具有一定厚度，對芯棒擠入端和擠出端表面3條路徑上的殘余應力分布均進行提取分析，計算結果如圖4所示。

由圖4可知，在本文研究的二次冷擠壓強化條件下，強化范圍大致約在直徑4～6"mm的圓形區域內，且擠出端的強化范圍大于擠入端；擠入端和擠出端在路徑1～3上的殘余應力都隨孔邊距離表現出從壓應力逐漸轉變為拉應力的特征，并且孔邊擠出端的壓應力均大于擠入端，并在遠離孔邊處逐漸趨于一致。

在路徑1上，擠入端在距孔邊0.6"mm處有最大的殘余壓應力約320"MPa，距孔邊約2"mm處應力為0，距孔邊約4"mm處有最大殘余拉應力約280"MPa。擠出端殘余應力在距孔邊1.6"mm左右具有最大壓應力約1"080"MPa，遠高于擠入端，在距孔邊約3.5mm處應力為0，在距孔邊5.5mm處有最大殘余拉應力約290"MPa。擠入端與擠出端的拉應力峰值基本一致，但出現位置相差1.5"mm左右。

在路徑2上，擠入端在距孔邊0.5"mm處有最大的殘余壓應力約540"MPa，在距孔邊2mm范圍外表現為拉應力。擠出端在距孔邊1"mm處有最大的殘余壓應力約800"MPa，與擠入端的峰值壓應力差距在3條路徑中最小；在距孔邊約3"mm范圍外表現為拉應力，并且拉應力隨孔邊距離逐漸緩慢上升，與其他2條路徑不同。

在路徑3上，擠入端在距離孔邊約0.7nbsp;mm處有峰值壓應力約100"MPa，在約4"mm處有峰值拉應力約280"MPa。擠出端在距離孔邊約1.9"mm處有殘余壓應力峰值約1"120"MPa，遠高于擠入端，在約6.5"mm處有峰值拉應力約240"MPa，與擠入端的峰值拉應力僅相差約40"MPa。在距離孔邊較遠的位置，由于結構內應力平衡的影響，殘余應力將逐漸趨于0。

由于路徑1與路徑3處于同一對稱截面，應力變化趨勢、幅值與冷擠壓強化影響的范圍十分相似。而路徑2的方向與路徑1、3為正交關系，遠離孔邊的拉應力變化為上升趨勢，與路徑1、3相反；路徑2在擠入端與擠出端距離孔邊相同位置的應力水平差距基本保持在200"MPa左右，在3條路徑中最小。在3條路徑上，冷擠壓強化的影響范圍在擠出端均大于擠入端。根據冷擠壓強化原理，二次冷擠壓強化過程在安裝節孔邊有效形成了殘余壓應力，在安裝節受疲勞載荷時能夠起到增壽作用。

4"結論

本文采用ABAQUS軟件仿真分析了某輔助動力裝置鈦合金安裝孔的二次冷擠壓強化過程，獲得了孔邊不同路徑的殘余應力分布，獲得了如下結論。

（1）冷擠壓強化在擠出端的影響范圍大于擠入端，但所形成的峰值壓應力均處于直徑0.5～1"mm的圓形范圍內。

（2）采用無縫襯套對鈦合金安裝孔進行二次冷擠壓強化，能夠在孔邊有效形成殘余壓應力區域，提升安裝節的疲勞壽命。

參考文獻

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