沖壓發動機管路斷裂故障分析及結構改進

石 波，戴 進，樊根民

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

沖壓發動機管路系統作為增壓輸送、作動供氣等系統的關鍵結構部件[1]，其故障失效問題將對發動機的環境適應性和可靠性產生巨大影響，甚至影響任務成敗。管路系統工作在高溫高壓、振動沖擊等惡劣環境中，在布局空間緊湊、管路走向復雜和飛行狀態產品輕量化等約束條件下，管路結構方案在設計之初對疲勞強度安全裕度考慮不足、對復雜環境條件認識不充分給結構方案埋下薄弱環節。

近年來，國內專家針對管路結構動強度問題了開展了相關研究。王帥等研究了管路結構在預載荷及隨機振動試驗條件作用下的動強度特性的分析方法[2]；杜大華等通過試驗和仿真相結合開展故障機理分析與故障復現，提出管路振動控制措施，以結構最低動應力為目標、結構頻率禁區為約束進行動力學模型優化設計，提高管路抗振性能[3]；任樸林等通過計算結構振動模態及在隨機振動環境下的結構強度，分析找出應力集中部位進行結構優化[4]；盧金麗等對飛機管路振動故障進行分析，列舉出故障排除方法[5]；薛立鵬等通過理論推導和有限元動力學分析總結出運載火箭管路結構振動疲勞損傷的工程分析方法[6]；方紅榮等基于ABAQUS和nCode軟件開展管路隨機振動疲勞壽命仿真分析[7]。

本文借鑒以上研究經驗和設計方法，針對沖壓發動機管路系統斷裂故障，開展故障機理分析；通過ANSYS nCode DesignLife軟件對管路結構開展振動疲勞仿真分析，分析故障原因，尋找管路結構的薄弱環節；提出多個結構改進方案，利用疲勞壽命仿真計算優選出了最佳方案。

1 管路斷裂故障及機理分析

1.1 故障概述

沖壓發動機管路系統進行飛行工況隨機振動試驗考核，振動沖擊方向滿足總體安裝要求(x向為飛行器飛行方向，y/z向與飛行器垂直對稱面夾角為45°)。先進行z向振動試驗(5 min)，試后產品完好。再進行x向振動試驗，試后檢查發現充氣閥出口導管(φ4 mm×1 mm)靠近充氣閥端發生斷裂，斷口如圖1所示，位于轉接頭與導管焊縫熱影響區內，斷口錯壁約1.5 mm。

圖1 管路斷裂位置Fig.1 Vibration fracture location of pipeline

1.2 斷口理化分析

對出現斷裂的充氣閥出口導管進行了斷口理化分析：斷口平齊，呈金屬銀灰色，未見明顯塑性變形痕跡，多處已磨損；源區位于導管外表面，表現為多源特征，斷裂沿導管厚度方向由表及里；掃描電鏡觀察，斷口可見細密的疲勞條紋，如圖2所示。從參考文獻[8]可以判斷導管斷裂屬于振動過程中產生的疲勞開裂。

圖2 導管斷口形貌Fig.2 Fracture appearance of pipeline

1.3 故障分析

將充氣閥出口導管斷裂作為頂事件。出現斷裂的幾個可能原因在于：焊接缺陷、振動控制超允差上限、充氣閥支撐結構剛度不足及導管抗振能力弱，建立故障樹如圖3所示。

圖3 故障樹Fig.3 Fracture tree of pipeline

按照相關技術文件對產品開展全面質量復查工作，檢查發現管路生產工藝環節滿足設計要求，所有焊縫X光檢查合格，裝配完成后管路氣密試驗合格，產品生產過程中無質量問題。結合理化分析結果，排除產品生產制造過程中焊接存在缺陷X1。

振動試驗條件如表1和表2所示。檢查振動試驗三方向的控制響應譜，y/z向的控制量級約21g，x向的控制量級26.26g，滿足試驗容差范圍要求。因此，故障模式X2排除。

表1 x向振動試驗條件(試驗時間：5 min)

表2 y/z向振動試驗條件(試驗時間：5 min)

對管路結構開展模態仿真計算，計算結果如圖4和表3所示。

由模態分析結果可見，管路結構1階和2階固有頻率均在總體振動環境頻率范圍(10～2 000 Hz)內，其余固有頻率為高頻。試驗前，對試驗產品進行模態試驗，試驗發現管路結構1階固有頻率為579 Hz，實測振型與仿真結果一致。管路結構1階振型為充氣閥帶動管路沿x軸向前后擺動；2階振型為充氣閥帶動管路在yz平面內向左右擺動。在振動過程中，管路結構存在“擺頭”現象，充氣閥出口導管較短，變形能力及抗振能力差，因此故障原因初步定位于模式X3、X4。為了對管路結構的斷裂損傷開展定量分析，需要對管路結構進行疲勞壽命仿真計算。

圖4 管路結構前四階模態振型Fig.4 The first four modal shapes of pipeline model

表3 模態分析結果(前6階)

2 管路隨機振動疲勞壽命計算

2.1 隨機振動疲勞分析方法

參考文獻[9-10]，振動疲勞問題主要考慮結構的動態特性(自然頻率、振型、阻尼)對其受載響應及所導致的疲勞破壞具有主要作用或具有不可忽略的顯著影響。當振動頻率與結構模態頻率相當時，即為振動疲勞問題； 當振動頻率遠小于結構模態頻率，即為普通疲勞問題；當振動頻率遠大于結構模態頻率，以至于與聲波頻率相當時，即為聲疲勞問題。

隨機振動疲勞研究疲勞載荷為隨機振動載荷時的疲勞壽命問題。隨機振動疲勞分析通常有兩種方法[11]，即時域法和頻域法[12-14]。時域法是通過有限元分析或實測得到結構危險點的應力(應變)隨時間變化關系，采用適當的計數方法，得出不同應力(應變)水平的幅值和均值的分布情況，然后選取適用的損傷累積準則及破壞判據，進行疲勞壽命預估的方法。缺點是針對隨機加載過程，記錄數據工作量大，有時甚至難以實現。頻域法是通過有限元分析或實際測量得到結構危險點的應力功率譜密度，利用統計原理獲得相應功率譜的相關統計參數，結合應力幅值的概率密度函數，選取適用的損傷累積準則及破壞判據，進行疲勞壽命預估。該方法憑借計算簡單、不需要循環計數等優點在汽車、航空、航天等工業領域得到廣泛應用。

2.2 隨機振動疲勞仿真計算

2.2.1 設計流程

ANSYS nCode DesignLife是由HBM nCode公司開發，能夠獨立使用或集成于ANSYS Workbench平臺使用的CAE疲勞分析軟件。該軟件集成到Workbench平臺后，采用項目管理工具進行工程項目流程管理，將結構力熱有限元分析結果數據自動導入疲勞分析模塊，與傳統分析方法中對有限元分析結果導出后手工導入疲勞分析軟件仿真或編程分析的方法相對比，明顯提高了結構疲勞分析的計算效率。

隨機振動疲勞分析首先要進行振動載荷作用下結構的動力學響應分析，然后基于動力學響應分析結果進行結構的振動疲勞損傷估算。nCode軟件采用頻域法開展結構振動疲勞損傷分析流程如圖5所示。

圖5 隨機振動疲勞計算流程圖Fig.5 Flow chart of random vibration fatigue calculation

2.2.2 材料疲勞性能

nCode軟件自帶材料庫擁有200多種材料的S—N、E—N和Dang Van材料曲線數據，還可以進行自定義材料設置[15]。

本文中的管路結構采用不銹鋼材料，材料曲線使用軟件材料庫中的材料定義，其余結構材料為高溫合金，參考相關材料數據使用自定義方式設置材料曲線。

2.2.3 模態分析

管路結構模態分析計算注意事項如下：

1)對于裝配體，設置接觸關系時需要將非線性接觸轉為線性接觸；

2)確定分析模態數量的原則，推薦計算的模態頻率范圍為PSD激勵最大頻率的1.5倍；

3)通過設置模態重要度水平可以去除不重要的模態；

4)通過阻尼控制定義阻尼系數，本文計算采用模態阻尼系數為0.02[16-17]。

2.2.4 隨機振動統計歷程算法

nCode軟件具有：NarrowBand、Steinberg、Lalanne和Dirlik 4種算法。

Dirlik法[18]利用Monte Carlo進行時域模擬，對70種不同分布形狀的功率譜密度函數進行研究，提出一個準經驗模型[19-20]，認為帶寬過程的應力幅值概率密度函數是一個指數分布和兩個瑞利分布的組合。該方法具有寬泛的技術應用范圍，適用于窄帶和寬帶技術。本文采用Dirlik方法計算。

2.2.5 計算結果

管路結構隨機振動疲勞分析結果如圖6所示。在z向隨機振動載荷下，管路結構的薄弱環節出現在充氣閥支座底部，最小壽命為2.998×107s。因此判斷經過5 minz向隨機振動考核，管路結構完好。在x向隨機振動載荷下，管路結構的薄弱環節出現在充氣閥導管出口端，最小壽命為781.1 s。因此判斷經過5 minx向隨機振動考核，管路結構在導管出口端斷裂，仿真結果與試驗結果中斷裂位置基本一致。

結合試驗現象和仿真計算結果，可以判斷充氣閥支撐剛度不足和導管抗振能力弱是造成斷裂的主要原因，結構發生破壞的工況是x向隨機振動工況。

圖6 管路結構壽命計算云圖Fig.6 Cloud diagram of pipeline structure life calculation

3 結構改進

經過故障分析，基本確定了結構改進的思路：通過輔助支撐結構增加充氣閥支撐剛度(方案1)；增加管子直徑(改為φ6 mm×1 mm，方案2)；同時通過改變焊接結構以增加管子長度改善導管生產工藝性。方案1和方案2的x向隨機振動疲勞計算結果如圖7所示。

從x向隨機振動工況計算結果可見，通過輔助支撐結構增加充氣閥支撐剛度的措施對結構壽命提升效果明顯，且結構的薄弱環節轉移到充氣閥支座底部；增加管子直徑的措施對結構壽命提升效果相對較小，且結構的薄弱環節仍然位于充氣閥導管出口端。因此，最終確定方案1為結構改進方案。

原方案與改進結構方案的模態仿真計算結果對比如表4所示，隨機振動疲勞計算結果對比如表5所示。

從計算結果可見，改進方案對比原方案主要提升了管路結構的各階振動模態的頻率，尤其是大幅提升了一階模態的頻率，從而提高了管路結構的抗振性能，降低了RMS應力值和損傷，提高了整個結構在三方向隨機振動載荷下的壽命。

圖7 管路結構壽命計算云圖Fig.7 Cloud diagram of pipeline structure life calculation

表4 模態分析結果對比(前6階)

表5 隨機振動疲勞計算結果對比

4 改進結構試驗驗證情況

改進結構產品重新進行隨機振動試驗。試驗前對產品進行了模態測量，充氣閥出口導管一階固有頻率為1 382 Hz，與仿真計算結果對比偏差小于4.5%，實測振型與仿真結果一致。試驗按順序依次進行x、y、z三方向振動試驗。每工況試后檢查產品結構完好，產品返廠檢查氣密試驗合格。試驗結束后對產品進行分解，對管路結構各條對接焊縫進行X光檢查均合格。改進結構產品圓滿通過試驗考核。

5 結論

1)通過軟件仿真和試驗相結合的結構模態分析，推測出疲勞破壞與模態振型的聯系，可以對管路結構斷裂故障原因進行初步定位和定性分析。

2)利用ANSYS nCode DesignLife對結構開展隨機振動疲勞壽命計算，預示的管路結構斷裂位置與試驗結果基本一致；對結構疲勞失效的薄弱環節進行準確識別并提出結構改進思路；通過改進結構疲勞壽命預測和試驗考核，驗證了改進措施的有效性。