某型悬臂梁结构散热器振动强度分析及结构优化设计

李超　仇振安　焦鹏程

摘 要：近年来，航空发动机悬臂梁结构散热器产品数量增多，部分产品在进行振动试验时安装耳片处出现振裂故障，为避免此类产品振动故障的发生，采用ANSYS对某悬臂梁结构散热器进行随机振动分析。结果表明：产品应力最大处位于安装耳片过渡圆角处。在产品设计时，应着重考虑安装耳片处的强度，以降低产品振动时出现故障的风险。

关键词：悬臂梁结构;散热器;安装耳片

中图分类号：TU832.23文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）15-0034-04

Abstract： In recent years， the number of “cantilever beam” structure heat exchanger products in XINHANG has increased， and some products have vibration crack failure at the mounting lug during vibration test. In order to avoid the occurrence of vibration failure of such products， ANSYS is used to analyze the random vibration of a “cantilever beam” structure heat exchanger. The analysis results show that the maximum product stress is located at the excessive fillet of the mounting lug. In the design of the product， the strength of the mounting lug should be considered to reduce the risk of failure when the product vibrates.

Keywords： cantilever beam; heat exchanger;mounting lug

燃滑油散热器是航空发动机滑油系统的重要附件。随着发动机结构的紧凑设计，主机单位在设计滑油系统时，更倾向于将燃滑油散热器设计成悬臂梁结构。该结构形式在振动、冲击、加速度等环境下，容易造成结构件断裂等故障，其中振动的破坏性最为严重[1]。为此，需要在设计时充分考虑产品的结构强度，采用仿真软件对产品结构进行强度校核，识别出产品结构的薄弱环节。

1 某民机产品振动试验要求

根据《机载设备的环境条件和测试程序》（RTCA DO-160F）第8章节振动试验要求[2]，某型发动机配套燃滑油散热器的试验谱线如下。

1.1 随机谱线部分

10～300 Hz范围内，功率谱密度（Power Spectral Density，PSD）为0.02 g2/Hz;300～2 000 Hz范围内，功率谱密度（PSD）由0.02 g2/Hz均匀变化到0.002 g2/Hz。正弦谱线部分见表1。

1.2 产品结构设计

该发动机燃滑油散热器结构如图1所示。其主要由法兰盘、壳体、散热芯体、滑油压差旁通活门、端盖组成，主要通过5个安装螺钉固定在发动机油滤机匣上，为悬臂梁式结构。新乡航空工业（集团）有限公司类似悬臂梁结构燃滑油散热器在进行振动试验时曾出现安装耳片处断裂的故障。

经分析，振动故障的出现主要是因为安装耳片处应力集中、振动工装设计不合理。耳片处属于变截面，其应力集中系数与过渡圆角[R]有关。假如变截面如图2所示，则阶梯板条的应力集中系数如式（1）所示。

式中：[K]为应力集中系数;[B]为阶梯板条回转半径;[b]为阶梯板条回转半径;[R]为变截面处过渡圆角。

从式（1）可以看出：应力集中系数[K]与过渡圆角[R]具有较大关系，过渡圆角[R]越小，应力集中系数越大。

为避免同类故障，对安装耳片进行了强化设计，材料选用6061-T6棒料，安装耳片厚度设计为8 mm，安装耳片与法兰之间过渡圆角[R]设计为2 mm，加工方法为机加工，法兰盘结构见图3。

2 仿真分析

2.1 模型简化

本次仿真主要考核产品整体刚度。建立仿真模型时，对散热器内部的散热管进行部分简化，采用质量点和质量等效体简化。

2.2 网格划分

网格划分是仿真分析的重要环节之一[3]，采用四面体网格划分，并对小特征处进行网格加密处理。

2.3 坐标系建立

仿真环境的全局坐標系见图4，后续随机振动仿真中的载荷激励方向将按照该坐标系轴向进行施加。

2.4 随机振动分析

在进行振动仿真分析前，要先进行模态分析，模态分析结果主要包括固有频率和模态振型，固有频率分析结果见表2，前三阶模态振型见图5。

随机振动应力结果如图6所示。

从等效应力分布云图可以看出，除去应力奇异点，最大应力处位于法兰盘安装耳片过渡圆角处，最大应力值为20.1 MPa，查《中国航空材料手册》可知，6061-T6的疲劳强度为96 MPa，产品能够满足振动要求，安全系数为4.7。

2.5 试验验证

根据仿真结果对产品法兰盘安装耳片处进行局部优化，优化后产品按第2节振动试验谱进行振动试验，顺利通过试验考核，[Z]方向试验台设置及振动曲线见图7。

3 结果分析

从仿真结果及同类产品故障模式看，此类悬臂梁结构散热器的结构强度薄弱点主要位于法兰安装耳片处。在产品设计时需要注意以下几个方面：法兰盘材料选用强度较高、焊接性能优良的6系铝合金;尽可能增大安装耳片与机体之间的过渡圆角;尽可能减小焊接变形对安装耳片的影响，优先选用胀接结构;采用必要的仿真计算进行强度校核。

根据新乡航空工业（集团）有限公司同类产品振动试验经验，振动工装的设计对振动试验影响较大，在进行振动试验时，需要注意以下几个方面：振动工装选择刚度好的材料，便于力的传递;针对悬臂梁结构散热器类产品的振动工装，工装与产品法兰安装面的粗糙度、平面度应与产品一致或高于产品法兰形位公差要求。

参考文献：

[1]编著委员会.力学环境试验技术[M].西安：西北工业大学出版社，2003：5-11.

[2]机载设备的环境条件和测试程序：RTCA DO-160F[EB/OL].（2007-12-06）[2021-03-04]. https：//img65.chem17.com/1/20200605/637269507592432424624.pdf.

[3]凌桂龙.ANSYS Workbench 15.0从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2014：45-55.

[4]《中国航空材料手册》编辑委员会.中国航空材料手册：第3卷[M].北京：中国标准出版社，2002：399-404.

[5]许晓东.民机环控系统建模与仿真技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2018：21-32.