飞机结构件衬套冷缩装配仿真与试验研究

发布时间：2020-08-13 09:56

【摘要】：衬套是飞机组件可动连接装配中不可或缺的减摩耐磨零件,其通常采用冷缩装配的安装方法以实现与配对孔的过盈配合。因此,过盈量的合理设计直接决定了后继可动连接的配合精度和可靠性。然而,由于衬套的材料种类、尺寸规格以及配对飞机结构件的结构形式均相对较多,给衬套冷缩装配过盈量的设计选择带了严峻挑战。为此,本文以30CrMnSiA、Cr16Ni6及QAl10-3-1.5等三种材料、共计十六种规格的衬套与铝合金飞机结构件的装配为研究对象,开展衬套冷缩装配的有限元仿真与试验研究,以期为飞机结构件衬套冷缩装配提供技术与方法支持。论文的主要研究工作如下:(1)应用有限元仿真,研究了衬套材料和衬套规格对衬套外径冷缩量的影响、装配过盈量对装配后衬套内径收缩量的影响以及装配过盈量对装配后衬套应力应变影响等。有限元分析结果表明,衬套外径冷缩量分别与衬套材料的热胀系数和衬套外径大小成正比,而与衬套厚度和衬套结构无明显相关性;装配后衬套内径最大收缩量和衬套的应力应变均随装配过盈量的增加而线性增大。(2)通过对30CrMnSiA、Cr16Ni6及QAl10-3-1.5等三种材料、共十六种规格的衬套进行冷缩装配基础试验,研究了衬套外径和衬套材料的热胀系数对衬套外径冷缩量的影响、衬套冷却时长对衬套微观组织变化的影响、装配过盈量对装配后衬套内径最大收缩量的影响以及过盈量对衬套压出力的影响等,验证了有限元仿真结果。(3)在有限元仿真及试验研究的基础上,设计开发了“衬套冷缩装配参数选用数据库”,实现了对衬套冷缩装配的基础数据和装配工艺参数的统一管理,以及对衬套冷缩量的精确计算和装配后衬套内径最大收缩量的有效预测等,并进行了应用验证。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V262.4
【图文】：

模型图,衬套,低温冷却,有限元分析

材料外径（mm）30CrMnSiACr16Ni6QAl10-3-1.5Φ14Φ18Φ36Φ45Φ64Φ90图 2.1 为所选衬套的三维模型。由于所选衬套零件为轴对称结构，为了防止仿真过程中出现较大的刚体位移以及减少仿真计算量，采用所选衬套模型的四分之一作为仿真模型。（a）Φ14 （b）Φ18 （c）Φ36

材料属性,导热率,属性,杨氏模量

（1）建立三维模型ABAQUS 自带制图动能，能够进行简单的二维、三维部件模型的绘制。对于较为复杂的模型，一般通过其他三维建模软件，如 UG、SolidWorks、Pro-E 等进行绘制后导入 ABAQUS。（2）设置材料属性将模型导入 ABAQUS 后，首先为衬套设置材料属性。在进行衬套低温冷却程有限元仿真建模过程中，需要设置的材料属性有密度、弹性模量、泊松比、导热率、热膨胀系数等。通过查阅《工程材料实用手册》， 30CrMnSiA、Cr16Ni6 以及 QAl10-3-1.5 三种材料的相关材料属性如表 2. 2 所示。按表 2.2 的内容，为创建三种材料属性。材料属性编辑完成后，需分别创建与材料相应的截面属性，并将依次将不同的截面属性赋予部件模型，如图 2.2 所示。

交换条件,表面热

置分析步AQUS/CAE 中施加载荷及设置约束需自己创建分析步。本仿真模拟的是冷却冷缩变形的问题，因此分析步类型应选择“coupled temp-displacement””分析，本仿真中只需创建一个分析步即可。置表面热交换条件衬套从室温中放入液氮中进行冷处理，其温度由 20℃降为-196℃，在仿真热交换条件”中设置膜层散热系数及环境温度。膜层散热系数即对流换热冷却速度，由于本仿真为稳态分析，故该系数对结果无影响。而环境温度度，将“环境温度”设置为-196℃，如图 2.3 所示。

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