某发动机缸体开裂失效分析案例
某发动机开发试验阶段出现电机支架安装凸台及连接螺栓断裂失效，分析发现，振动是导致失效的重要原因之一。因此，建立了包括发电机和空压机简易模型的支架有限元模型，并进行了约束模态分析。此外，发动机运行期间，连接区域松脱可能是造成失效的另一重要原因，因此，针对缸体局部、电机支架进行了螺栓预紧应力分析。最后，对发电机和空压机进行了动平衡测试。结合数值分析结果及测试结果，对支架及安装凸台的结构、发电机的平衡性能进行改进。改进后，电机安装凸台及连接螺栓断裂的故障得以排除。
产生发电机支架安装凸台断裂及其附近缸体开裂故障的原因可能有三种：(1) 支架总成（包括支架、发电机、空压机等）的共振带宽在发动机转速范围内，由于共振造成失效；(2) 激励过大，激励有三个来源，即：发动机、发电机和空压机，过大的激励将在支架及其连接区域产生过大的应力应变；(3) 支架发生塑性变形或者蠕变导致螺栓松脱，从而加剧振动。图2为有限元模型，包括缸体、支架、连接螺栓以及简化的发电机和空压机模型。支架与缸体凸台之间采用三维小滑移弹性接触模型。图3为支架模态分析有限元模型，包括支架、发电机、空压机和皮带轮：对发电机支架总成进行约束模态分析，由于发动机的二阶激励最大，因此，如果支架的共振频率低于200Hz，在发动机运行期间将产生共振。计算得到支架总成的一阶共振频率为130.5Hz，图4图示了一阶振型。从图中可以看出，一阶共振为支架总成在XY平面内的摆动，该摆动将在螺栓内产生反复作用的剪切应力和变形，同时，将在缸体安装凸台中产生反复的拉伸和压缩作用（凸台可简化成简支梁）。另外，在振动作用下，螺旋副间的摩擦力可能减小或瞬时消失，多次重复会造成联接松脱。图5图示了支架振动测试结果，从图中看出，3820 rpm对应的二阶次频率为127.3Hz,计算值结果与测试值的误差为2.5%。在较大的应力作用下，相互连接的部件将发生塑性变形，同时，发动机运行期间承受着变化着的高温热负荷，这样，螺纹联接件和被联接件的材料可能发生蠕变和应力松弛，会使联接中的预紧力和摩擦力逐渐减小，最终将导致联接的松脱，并导致振动加剧，图6和图7图示了计算得到的安装凸台及支架的预紧应力分布及局部放大效果图：从分析可以看出，需采用如下措施解决发动机支架安装凸台及连接螺栓断裂问题：(1) 增加安装凸台直径，从而增加结合面面积，降低预紧应力值，同时，提高了安装凸台的刚度；(2) 改进支架左下联接区域的结构，降低预紧应力；(3) 改进支架结构或者安装形式，提高支架总成的一阶振动频率，使其高于200Hz；(4) 对发电机和空压机进行动平衡测试，改进其动平衡特性，以降低振动激励；通过上述4个措施的综合实施，排除了该型全铝发动机发电机安装凸台及连接螺栓断裂、安装凸台附近区域缸体开裂的故障。 【免责声明】本文来自网络，版权归原作者所有，仅用于学习！对文中观点判断均保持中立，若您认为文中来源标注与事实不符，若有涉及版权等请告知，将及时修订删除，谢谢大家的关注！
