呂 頌, 楊 博, 沈 躍, 陳國棟

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所， 遼寧 沈陽 110015)

鈑金類零部件的設(shè)計(jì)是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)不可或缺的重要組成部分，而基于數(shù)字化造型、仿真及制造(CAD/CAE/CAM)的鈑金結(jié)構(gòu)件應(yīng)用對集成產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了有效的補(bǔ)充與完善.國內(nèi)多位科研人員正致力于該方面的研究工作.王紅濤等[1]利用SolidWorks軟件二次開發(fā)接口，實(shí)現(xiàn)了鈑金件的展開繪圖和中間件模塊建模開發(fā).秦海峰等[2]在CATIA平臺上開發(fā)了基于特征與知識的航空鈑金設(shè)計(jì)系統(tǒng).劉志紅等[3]研究了板厚、坡口角度及焊縫等對鈑金件展開的影響，并在AutoCAD中自動繪制鈑金圖.李鐵鋼[4]提出了基于UG的鈑金件集成數(shù)字化制造的技術(shù)流程體系，并提出了零件曲面的展開方法.杜文忠[5]較為全面地介紹了UG軟件在鈑金設(shè)計(jì)及制造中的應(yīng)用.李淑萍等[6]開發(fā)了一種算法，基本消除了鈑金展開件在成型過程中以及展平過程中的變形.黃俊波等[7]分析了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造在飛機(jī)鈑金加工中的應(yīng)用.綜上所述，鈑金類零部件的設(shè)計(jì)與加工在工業(yè)化較為發(fā)達(dá)的今天應(yīng)用十分廣泛，涉及汽車、航空、航天、鐵路、船舶、通信、醫(yī)療器械等多個軍用及民用領(lǐng)域，然而其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用大多停留在飛行器蒙皮的造型及加工方面，在航空動力方面的應(yīng)用較少.事實(shí)上在航空發(fā)動機(jī)地面零部件試驗(yàn)研究領(lǐng)域，試驗(yàn)工裝的大部分結(jié)構(gòu)都是由鈑金件構(gòu)成.因此，本文以航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片冷卻效果試驗(yàn)為例，詳細(xì)介紹鈑金件在試驗(yàn)工裝中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用.

1 冷卻效果試驗(yàn)工裝內(nèi)外套的設(shè)計(jì)背景與應(yīng)用

航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片冷卻效果試驗(yàn)是零部件地面試驗(yàn)的重要組成部分，通過該類試驗(yàn)可以得到渦輪葉片表面的壁溫分布情況及冷卻效果無量綱參數(shù)值，從而驗(yàn)證冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，為葉身表面熱應(yīng)力等強(qiáng)度估算打下重要基礎(chǔ).航空發(fā)動機(jī)燃燒室的出口溫度接近2000 ℃，即使經(jīng)過滿足相似準(zhǔn)則的模擬化處理，一般也不會低于1000 ℃.這給地面零部件試驗(yàn)設(shè)計(jì)帶來了極大的挑戰(zhàn).通常情況下航空發(fā)動機(jī)渦輪冷卻效果試驗(yàn)工裝采用圖1所示的結(jié)構(gòu)形式，圖中轉(zhuǎn)接段、試驗(yàn)段進(jìn)口內(nèi)外套以及試驗(yàn)段出口內(nèi)外套均采用鈑金件，各組件間采用較耐壓的凹凸面法蘭連接.

圖1 試驗(yàn)工裝結(jié)構(gòu)形式示意圖

由此可見，試驗(yàn)工裝中鈑金件的設(shè)計(jì)是否合理、是否易于實(shí)現(xiàn)加工等，是試驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ闹匾蛩?

1.1 設(shè)計(jì)背景

由于試驗(yàn)工裝轉(zhuǎn)接段入口溫度較高，目前大多數(shù)采用內(nèi)外套雙層夾壁循環(huán)水冷卻的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)工裝夾壁水冷結(jié)構(gòu)及冷卻流路示意圖

該結(jié)構(gòu)的核心部分一般為3～4 mm厚的鈑金件，大多數(shù)工程技術(shù)人員對此類零件的設(shè)計(jì)采用與普通去除材料工藝方法相同的建模設(shè)計(jì)方法，如圖3(a)所示.該種方法雖然簡單，但是后續(xù)給工藝、尤其是施工帶來較大麻煩.鈑金工人需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)切割出合適形狀的分體，再焊接起來.這極大地降低了工作效率，增加了勞動強(qiáng)度.而采用鈑金設(shè)計(jì)方法則符合工藝要求與施工情況，只需要將兩個展平的鈑金件在要求位置彎折、并焊接起來，就可得到要求的結(jié)構(gòu)形式.該方法方便簡單，同時降低了對鈑金工人的技術(shù)水平要求.

圖3 建模設(shè)計(jì)方法與鈑金設(shè)計(jì)方法對比

1.2 鈑金設(shè)計(jì)應(yīng)用

從上述設(shè)計(jì)背景可知應(yīng)用鈑金設(shè)計(jì)方法是非常必要的.將圖3(b)中的鈑金件展平，其實(shí)體如圖4(a)所示.該圖示圖樣可作為鈑金件的下料圖.從圖4(a)中可看出其為不規(guī)則的平面結(jié)構(gòu)，其中折彎位置已在圖中標(biāo)出.具體工藝參數(shù)如圖4(b)所示，圖中標(biāo)注出了折彎半徑、折彎角度、折彎方向等，方便工藝人員及施工人員操作.

圖4 鈑金件展平實(shí)體與展平圖樣

圖5為鈑金件的折彎過程仿真.從圖5中可以更清晰看出整個折彎過程的詳細(xì)步驟，同時也展示出了下料件與成型件的造型對比.

圖5 鈑金件折彎過程仿真

2 應(yīng)用NX鈑金設(shè)計(jì)的展平分析

在鈑金件的設(shè)計(jì)中對其折彎過程的強(qiáng)度校核是必不可少的，尤其對于一些塑性材料.該部分工作能夠?qū)φ蹚潙?yīng)力進(jìn)行預(yù)判，防止由于受力過大導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，保證成型最終成功.

該分析校核工作的理論基礎(chǔ)是有限單元法.與其他強(qiáng)度仿真類似，首先，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用易于收斂的四面體網(wǎng)格；然后，根據(jù)鈑金折彎過程中的邊界條件計(jì)算求解，得到結(jié)果數(shù)據(jù).

仍然以航空發(fā)動機(jī)渦輪冷卻效果試驗(yàn)工裝為例，分別對轉(zhuǎn)接段與試驗(yàn)段內(nèi)外套鈑金件的折彎進(jìn)行展平分析.網(wǎng)格劃分如圖6所示.

圖6 轉(zhuǎn)接段與試驗(yàn)段鈑金件網(wǎng)格劃分

圖6中(a)、(b)分別為轉(zhuǎn)接段與試驗(yàn)段鈑金件中位面片體的有限元網(wǎng)格劃分情況.

鈑金件材料均選擇常用的304不銹鋼，其物性參數(shù)見表1.

表1 鈑金件材料的物性參數(shù)

轉(zhuǎn)接段鈑金件的展平分析結(jié)果如圖7所示，其中(a)、(b)分別為應(yīng)力、應(yīng)變圖.從圖7中可以得到在展平過程中最大應(yīng)力約為460 MPa，小于強(qiáng)度極限520 MPa，在安全范圍以內(nèi)，最大應(yīng)變約為0.3.

圖7 轉(zhuǎn)接段鈑金件展平的應(yīng)力應(yīng)變圖

試驗(yàn)段鈑金件的展平分析結(jié)果如圖8所示，其中(a)、(b)分別為應(yīng)力、應(yīng)變圖.從圖8中可以得到在展平過程中的最大應(yīng)力約為430 MPa，小于強(qiáng)度極限520 MPa，同樣在安全范圍以內(nèi)，最大應(yīng)變約為0.26.因此，這兩種鈑金件的折彎施工是安全的.

圖8 試驗(yàn)段鈑金件展平的應(yīng)力應(yīng)變圖

3 鈑金設(shè)計(jì)的應(yīng)用及仿真驗(yàn)證

在進(jìn)行試驗(yàn)段鈑金件的設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，由于進(jìn)、排氣角一般為銳角，扇形截面內(nèi)外套上下弧面的間距一般大于兩側(cè)面之間間距，這就解釋了為何試驗(yàn)過程中若發(fā)生內(nèi)外套高溫?cái)嗔眩瑓^(qū)域大多數(shù)出現(xiàn)在兩側(cè)面而不是上下弧面位置.兩側(cè)面間隙一般較小，此處冷卻較差，如圖9所示.因此，在設(shè)計(jì)時需加大內(nèi)外套間隙或?qū)⒗鋮s循環(huán)水進(jìn)口位置布置于兩側(cè)面底部，如圖10所示.用Siemens NX進(jìn)行了有限元仿真對比驗(yàn)證.模型均采用30 000個四面體單元，進(jìn)口絕壓為0.4 MPa，出口為常壓，進(jìn)口水溫20 ℃，燃?xì)饨佑|壁面處溫度800 ℃.仿真驗(yàn)證結(jié)果如圖11所示.從圖11中可以看出，原結(jié)構(gòu)冷卻水最高溫度可達(dá)75.6 ℃，改進(jìn)結(jié)構(gòu)冷卻水最高溫度為67.0 ℃；原結(jié)構(gòu)冷卻水出口溫度為52.3 ℃，改進(jìn)結(jié)構(gòu)冷卻水出口溫度為50.6 ℃；原結(jié)構(gòu)側(cè)邊溫度為54.5 ℃，改進(jìn)結(jié)構(gòu)側(cè)邊溫度為49.3 ℃.因此可以證明該結(jié)構(gòu)的改進(jìn)有效降低了鈑金件高溫?cái)嗔训娘L(fēng)險(xiǎn).

圖9 試驗(yàn)段鈑金件上下弧面與兩側(cè)面距離對比

圖10 試驗(yàn)段水冷結(jié)構(gòu)流路示意圖

圖11 兩種冷卻結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果對比

4 結(jié) 論

介紹了基于NX的鈑金設(shè)計(jì)方法在航空發(fā)動機(jī)渦輪冷卻試驗(yàn)工裝中的應(yīng)用，利用有限元分析理論對鈑金折彎過程進(jìn)行了強(qiáng)度仿真校核及對設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，補(bǔ)充并完善了高溫零部件地面試驗(yàn)技術(shù)體系，得到以下結(jié)論：

(1) 運(yùn)用Siemens NX等三維設(shè)計(jì)軟件在進(jìn)行試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)時可以實(shí)現(xiàn)“邊設(shè)計(jì)邊改進(jìn)結(jié)構(gòu)”的功能，對復(fù)雜工裝零部件之間的交互設(shè)計(jì)有較大幫助.

(2) 在鈑金折彎過程中提前對強(qiáng)度進(jìn)行仿真校核，可以預(yù)判最有可能的失效位置，保證工藝正常開展.校核判斷應(yīng)力、應(yīng)變均在安全范圍內(nèi)，折彎施工是安全的.

(3) 通過有限元仿真驗(yàn)證可知：改變冷卻循環(huán)水進(jìn)口位置可以有效降低冷卻水各位置溫度，從而降低了鈑金件高溫?cái)嗔训娘L(fēng)險(xiǎn).