航空发动机加力燃烧室扩散器薄壁筒体环缝焊接的模拟与分析_CAE_产品创新数字化(PLM)_110

1、航空发动机加力燃烧室扩散器薄壁筒体环缝焊接的模拟与分析_CAE_产品创新数字化(PLM)一. 引言     在航空发动机的研制和生产中，焊接技术已经成为主导的工艺方法之一。发动机的压气机、机匣、燃烧室、高温部件、涡轮导向其叶片和叶片组件等，均为焊接结构。在喷气发动机零部件总数中焊接结构件所占比例已超过50%，焊接工作量已占发动机制造总工时的10%左右。因此，焊接技术的进步与发展直接关系到发动机性能的提高。长久以来，焊接工艺设计主要依靠经验积累和实验测试，成本消耗巨大，且焊接质量难以得到保证、废品率高。随着计算机技术的发展，焊接过程的数值模拟成为当前材料成形加工领域

2、的主要研究热点之一，并得到越来越广泛的应用，其有利于避免上述的缺陷。本文应用法国FRAMASOFT+ESI公司开发的焊接专用有限元分析软件SYSWeld，模拟了某型号航空发动机加力燃烧室扩散器外壁环缝焊接的情况，得到了焊接温度场、焊件应力场及焊后变形结果并进行了分析，旨在为加力燃烧室的实际焊接加工提供理论依据。 二. 模型的建立     2.1 几何/网格     本文所述为薄壁筒体环缝对接，模型的壁厚为2mm，其它几何尺寸数据如图1所示。在SYSWeld中可直接创建形状相对简单的几何/网格模型，对于复 杂模型可由其它CAD/CAE系

3、统，如Pro/E、UG、Ansys、Patran、I-deas、Hypermesh等创建。本例直接在SYSWeld中建立。在有限元分析中，网格的划分直接关系到计算的精度和效率，网格划分细密则计算精度高，但耗时长；反之，计算精度低、耗时短。因此，在温度梯度变化大的焊缝及其附近区域用细密的网格以提高计算精度；在远离焊缝、能量传输缓慢、温度梯度变化较小的区域采用相对稀疏的网格以节约计算时间、提高计算效率。根据以上分析，最终建立的有限元网格模型如图2，共有24640个单元（包括1D、2D、3D单元）、12768个节点（不同维数单元的节电已合并）。 图1 模型几何尺寸数据（单位：mm）图2 模型的网格划

4、分    2.2 材料的物理性质     金属材料的物理性质对焊接温度场的分布、焊缝的形成有着十分重要的影响。大多数物理性质参数都是随温度变化而变化的。该加力燃烧室扩散器外壁所用材料为马氏体型不锈耐热钢2Cr13，熔点约为1444×103kg/m3，主要化学成分如表1示，所查得随温度变化的物理性质参数如表2示。 表1 2Cr13的主要化学成分（） 表2 2Cr13随温度变化的物理性质参数     2.3 热源模型     SYSWeld提供了三种热源模型：2D高斯表

5、面热源适用于表面热处理；3D双椭球热源适用于常规弧焊，如TIG、MIG、SAW等；3D高斯圆锥形热源适用于高能束流焊接，如激光焊、电子束焊等。本文采用双椭球热源模型模拟电弧焊（如图3示）， 图3 3D双椭球热源模型 图4 热源校核结果     前半部分椭球热分布函数为：     后半部分椭球热分布函数为：    其中，f1、f2 分别是前、后半部分椭球能量分数；Q为瞬时输送给焊件的热能总量；af、ar、b、c是高斯参数，af、ar分别表示前、后半部椭球的长度，b影响熔宽，c影响熔深。SYSWel

6、d提供了热源校核工具，可用其对热源模型进行反复校核修改校核，以提高热源准确性。图4所示为校核后确定的热源模型效果图。三. 求解结果及其分析     模型建立完成后，即可启动软件开始热机械耦合计算。焊件的初始温度为室温20，焊接线速度为5mm/s。焊接时间为134s，此后直到1800s为冷却时间。     3.1 焊接温度场结果分析    ，而整个焊接期间焊件的最低温度均是20。可见近焊缝区域温度梯度很大，尤其是在热源中心前部等温线密集，温度梯度极大，热源中心后部和远离焊缝的地方温度梯度渐渐减小甚至不受热源

7、影响。  图5 焊接温度场结果云图     冷却过程中，由于直圆筒焊件长度小于圆锥筒体焊件，更易于散热，闭合的椭圆形等温线逐渐向直圆筒边缘移动。此外，纵向温度梯度相对较大，而沿圆周方向温度梯度减小。     3.2 焊接应力及变形结果分析     图6所示为焊接过程结束（134s）和冷却至1800s（焊件温度已至室温）时焊件上的平均应力分布。图7给出了纵向上形成准稳态温度场后某点焊缝两边的20个节点（如图7（a）示）在上述两个时间点的应力分布曲线。 图6 焊接应力场结果云图 图7 焊缝

8、截面节点应力变化     由图可见，焊缝中心部位材料受热膨胀，受到周围材料的约束，应力呈现为压应力，两边相临的狭窄区域内拉应力值迅速增大，之后又陡降为压应力，与拉应力保持内部平衡；随着离焊缝距离的渐渐增大，压应力减小、拉应力略增但渐趋近于与零。冷却过程中，由于温度降低，膨胀材料有所收缩，故压应力绝对值减小，最大值由763.0MPa降为237.9MPa；而拉应力绝对值有所增加。在整个焊接加热和冷却过程中，焊件总体表现为先受热膨胀后略收缩，焊件冷却至室温后，焊缝中心部位呈压应力，相邻两边则是拉应力。离焊缝较远处，应力值很小，接近于零。   

9、0; 图8、图9分别为焊至134s（加热结束）时和冷却至1800s时的焊件的变形云图，（为了直观易见，将其放大了10倍）。可见筒壁发生不同程度的曲翘，变形量随冷却过程的进行稍有增大，最终最大值为0.786mm，主要集中在焊缝中心部位。 图8 焊至134s焊件变形云图（放大10倍） 图9 冷却至1800s焊件变形云图（放大10倍） 四. 结论     本文应用专用焊接有限元分析软件SYSWeld，对某型号航空发动机加力燃烧室扩散器外壁环缝焊接过程进行了模拟，得到了焊接温度场、应力场和焊后变形结果，并对其进行了定性分析，有如下结论：     （1）近焊缝区域温度梯度较大，在热源中心前部等温线密集，温度梯度极大，热源中心后部和远离焊缝的地方温度梯度渐渐减小甚至不受热源影响；冷却过程中闭合的椭圆形等温线逐渐向易于散热端偏移，纵向温度梯度相对较大，而沿圆周方向温度梯度减小。