预紧装配下浮动瓦块高温蠕变分析

杨眉

【摘 要】本文采用弹塑性分析方法和蠕变模型对预紧装配下浮动瓦块进行高温蠕变分析。蠕变分析结果显示：高温下，预紧对瓦块产生的应力随时间增加而下降，应力松弛作用明显，50小时后保持稳定状态，不再发生变化。蠕变应变随着时间增加而不断增加，同样50小时后保持稳定状态，不再发生变化。其蠕变变形量远小于断裂应变，说明在高温保载下，瓦块不发生失效。

【关键词】瓦块;弹塑性;蠕变;断裂

中图分类號： TB301文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）20-0085-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.039

0 引言

燃烧室火焰筒是喷气式航空发动机中直接与火焰接触的部件，在其上可以布置隔热瓦块进行隔热保护火焰筒与相连部件的安全。蠕变是材料的固有特性之一，金属的工作温度超过其熔化温度的40%时就会发生蠕变。火焰筒工作时处于高温、高应力状态下，所以其材料大部分处于蠕变状态[1]。由于发动机工作过程中火焰筒会受到大小或方向随时间变化的循环交变载荷，会引起火焰筒产生裂纹、掉块等故障[2]。某型商用航空发动机燃烧室火焰筒采用双层浮动壁结构，浮动瓦块和承力壁通过螺栓连接。在装配时，对自锁螺母施加拧紧力矩。在预紧力作用下，瓦块根部出现由于装配应力产生的塑性屈服。因此，在高温环境下，瓦块螺栓连接的根部可能出现由于初始装配应力导致的持久蠕变失效，对火焰筒组件连接可靠性造成威胁。

本文建立了瓦块组件的持久蠕变强度计算模型，通过计算获得持久蠕变分析结果，得到高温下，瓦块应力和蠕变应变随时间变化关系，从而判断浮动瓦块在高温下蠕变量，评估是否产生安全性风险。

1 弹塑性模型

预紧装配下的瓦块高温蠕变分析时，预计装配下可能发生塑性变形，需采用弹塑性模型进行应力应变计算，瓦块材料弹塑性应力应变曲线如图1所示。

3 计算分析模型

三维模型如图3所示，按照真实火焰筒组件试验件结构进行适当简化建模，模型中包含承力壁、瓦块、螺钉和螺母。采用六面体网格。螺母与瓦块螺钉共节点建为一体，螺母与承力壁，承力壁与瓦块翻边采用标准接触。在瓦块螺钉上建立预紧力单元，用于施加装配拧紧力。

对瓦块和承力壁螺栓连接常温拧紧装配力3.2N？m下的变形测量，在装配拧紧力下进行高温900℃蠕变分析。

4 蠕变结果分析

火焰筒组件高应力区位于瓦块螺钉根部，由装配预紧力产生，如图4所示。随着时间增加，火焰筒发生蠕变变形，螺栓根部发生应力松弛，应力随时间变化如图5所示。在前5小时内应力下降明显，应力松弛现象显著。在50小时以后，应力基本不发生变化。同样在前5小时内蠕变变形量增加显著，在50小时以后蠕变变形量基本不再发生变化。

产生该现象说明在预紧装配应力下，在高温环境中，随着时间增加，预紧产生的应力降低，在应力降低的同时，蠕变变形量增加的速率降低，最后应力和蠕变应变保持一个平衡不变状态。从计算结果可得，蠕变应变量在1.3%达到平衡，该应变量小于瓦块延伸率，因此不会发生断裂失效。

整个瓦块在72小时内蠕变变形量为0.0012mm，主要由于瓦块螺钉根部产生应力，其他部位应力较小，整个瓦块蠕变变形量较小。火焰筒壁面装配的浮动瓦块数量较多，各瓦块之间保持有一定间隙，通过蠕变量计算，可为设计提供初始间隙量，以防止瓦块在高温环境下，瓦块和瓦块之间由于间隙量不够而发生相对挤压干涉，从而影响瓦块使用安全性。

从分析结果可知，在持续高温环境下，若火焰筒浮动瓦块只在装配预紧力下，随时间增加，应力发生松弛，不会发生蠕变破坏。需在循环-蠕变交互作用下，考虑结构安全性。

5 结论

（1）建立了瓦块组件的持久蠕变强度计算模型，模型中包含弹塑性和蠕变模型，通过计算获得持久蠕变分析结果，判断浮动瓦块在高温下蠕变量，评估是否产生安全性风险。

（2）分析结果显示：在高温下，由于蠕变作用，随时间增长，瓦块发生应力松弛，蠕变变形量增加。在50小时后，应力和蠕变变形量趋于平衡。其蠕变变形量远小于断裂应变，说明在蠕变保载下，瓦块不发生失效。

（3）蠕变分析结果为瓦块间隙量设计提供参考值，防止瓦块之间相互干涉挤压而影响安全性。

【参考文献】

[1]饶寿期.航空发动机的高温蠕变分析[J].航空发动机， 2004，30（1）：10-13.

[2]李全通，景小宁.某型发动机火焰筒热弹塑性/蠕变应力分析[J].燃气涡轮试验与研究，1999（1）：40-43.