冲压发动机管路系统作为增压输送、作动供气等系统的关键结构部件^[1],其故障失效问题将对发动机的环境适应性和可靠性产生巨大影响,甚至影响任务成败。管路系统工作在高温高压、振动冲击等恶劣环境中,在布局空间紧凑、管路走向复杂和飞行状态产品轻量化等约束条件下,管路结构方案在设计之初对疲劳强度安全裕度考虑不足、对复杂环境条件认识不充分给结构方案埋下薄弱环节。

近年来,国内专家针对管路结构动强度问题了开展了相关研究。王帅等研究了管路结构在预载荷及随机振动试验条件作用下的动强度特性的分析方法^[2]; 杜大华等通过试验和仿真相结合开展故障机理分析与故障复现,提出管路振动控制措施,以结构最低动应力为目标、结构频率禁区为约束进行动力学模型优化设计,提高管路抗振性能^[3]; 任朴林等通过计算结构振动模态及在随机振动环境下的结构强度,分析找出应力集中部位进行结构优化^[4]; 卢金丽等对飞机管路振动故障进行分析,列举出故障排除方法^[5]; 薛立鹏等通过理论推导和有限元动力学分析总结出运载火箭管路结构振动疲劳损伤的工程分析方法^[6]; 方红荣等基于ABAQUS和nCode软件开展管路随机振动疲劳寿命仿真分析^[7]。

本文借鉴以上研究经验和设计方法,针对冲压发动机管路系统断裂故障,开展故障机理分析; 通过ANSYS nCode DesignLife软件对管路结构开展振动疲劳仿真分析,分析故障原因,寻找管路结构的薄弱环节; 提出多个结构改进方案,利用疲劳寿命仿真计算优选出了最佳方案。

经过故障分析,基本确定了结构改进的思路:通过辅助支撑结构增加充气阀支撑刚度(方案1); 增加管子直径(改为φ6 mm×1 mm,方案2); 同时通过改变焊接结构以增加管子长度改善导管生产工艺性。方案1和方案2的x向随机振动疲劳计算结果如图7所示。

从x向随机振动工况计算结果可见,通过辅助支撑结构增加充气阀支撑刚度的措施对结构寿命提升效果明显,且结构的薄弱环节转移到充气阀支座底部; 增加管子直径的措施对结构寿命提升效果相对较小,且结构的薄弱环节仍然位于充气阀导管出口端。因此,最终确定方案1为结构改进方案。

原方案与改进结构方案的模态仿真计算结果对比如表4所示,随机振动疲劳计算结果对比如表5所示。

从计算结果可见,改进方案对比原方案主要提升了管路结构的各阶振动模态的频率,尤其是大幅提升了一阶模态的频率,从而提高了管路结构的抗振性能,降低了RMS应力值和损伤,提高了整个结构在三方向随机振动载荷下的寿命。

图7 管路结构寿命计算云图
Fig.7 Cloud diagram of pipeline structure life calculation

表4 模态分析结果对比(前6阶)
Tab.4 Comparison of modal calculation results(the first six modals)

表5 随机振动疲劳计算结果对比
Tab.5 Comparison of random vibration fatigue calculation results

改进结构产品重新进行随机振动试验。试验前对产品进行了模态测量,充气阀出口导管一阶固有频率为1 382 Hz,与仿真计算结果对比偏差小于4.5%,实测振型与仿真结果一致。试验按顺序依次进行x、y、z三方向振动试验。每工况试后检查产品结构完好,产品返厂检查气密试验合格。试验结束后对产品进行分解,对管路结构各条对接焊缝进行X光检查均合格。改进结构产品圆满通过试验考核。

1)通过软件仿真和试验相结合的结构模态分析,推测出疲劳破坏与模态振型的联系,可以对管路结构断裂故障原因进行初步定位和定性分析。

2)利用ANSYS nCode DesignLife对结构开展随机振动疲劳寿命计算,预示的管路结构断裂位置与试验结果基本一致; 对结构疲劳失效的薄弱环节进行准确识别并提出结构改进思路; 通过改进结构疲劳寿命预测和试验考核,验证了改进措施的有效性。