張榮霞 ，吳 為 ，曾元松

（1.中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京100024;2.塑性成形技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024;3.數(shù)字化塑性成形技術(shù)及裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024）

隨著現(xiàn)代民用飛機(jī)的發(fā)展，飛機(jī)管路系統(tǒng)涉及范圍日益擴(kuò)大，特別是液壓系統(tǒng)，作為飛機(jī)的主動(dòng)脈，它保證了飛機(jī)各部件按設(shè)計(jì)要求精準(zhǔn)動(dòng)作。據(jù)統(tǒng)計(jì)，液壓導(dǎo)管的重量要占液壓系統(tǒng)總重量的30%～35%，幾乎分布在飛機(jī)機(jī)體的各個(gè)部分，系統(tǒng)中任意一根導(dǎo)管的損壞都可能造成液壓系統(tǒng)的重大事故。因此，導(dǎo)管的選擇、安裝和連接形式等都成為液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題。

選擇安全可靠的連接方法，采用強(qiáng)度高、抗蝕好、重量輕的導(dǎo)管和接頭是民用飛機(jī)管路設(shè)計(jì)中一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)[1-4]。無(wú)擴(kuò)口連接技術(shù)被認(rèn)為是飛機(jī)導(dǎo)管連接最有效的技術(shù)方法之一，采用無(wú)擴(kuò)口連接技術(shù)所得到的導(dǎo)管連接產(chǎn)品具有高密封、重量輕、防震自鎖、不用打保險(xiǎn)絲、方便維護(hù)、技術(shù)裝備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，較高的密封性和連接強(qiáng)度是該項(xiàng)技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)。鑒于此，無(wú)擴(kuò)口導(dǎo)管連接越來(lái)越受到重視，國(guó)外對(duì)無(wú)擴(kuò)口連接技術(shù)的研究已經(jīng)成熟，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化和工程化應(yīng)用；國(guó)內(nèi)從十五期間開(kāi)始，也相繼開(kāi)展了一系列研究，研究單位主要有北京航空制造工程研究所、中科院金屬所、成飛、沈飛等主機(jī)廠，研究?jī)?nèi)容主要集中在成形過(guò)程的有限元模擬、密封原理和試驗(yàn)方法等方面，對(duì)連接強(qiáng)度性能的研究還未見(jiàn)報(bào)道[5-6]。

本文采用有限元模擬方法揭示了連接強(qiáng)度產(chǎn)生機(jī)理，并利用試驗(yàn)方法獲得不同管套結(jié)構(gòu)對(duì)連接強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 連接強(qiáng)度性能研究方案介紹

根據(jù)GJB 3230-1998《航空液壓導(dǎo)管和接頭試驗(yàn)方法》的要求，鈦合金導(dǎo)管內(nèi)徑滾壓連接件的連接強(qiáng)度測(cè)試方法為：將連接件連接到拉伸試驗(yàn)機(jī)上，內(nèi)部保持系統(tǒng)工作壓力的同時(shí)，對(duì)試件進(jìn)行軸向拉伸，直至試件泄露、拉脫或斷裂，其破壞拉力為連接件抗拉脫強(qiáng)度，連接強(qiáng)度試驗(yàn)如圖 1所示。

圖1 連接強(qiáng)度試驗(yàn)示意Fig.1 Abridged general view of connection strength test

本文采用有限元模擬方法分析在軸向拉力作用下，管套與導(dǎo)管之間接觸力的變化規(guī)律，揭示接頭連接強(qiáng)度產(chǎn)生機(jī)理，同時(shí)對(duì)不同結(jié)構(gòu)管套連接件進(jìn)行連接強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)，考察管套結(jié)構(gòu)對(duì)連接強(qiáng)度的影響規(guī)律。

2 連接強(qiáng)度試驗(yàn)有限元模型的建立

2.1 幾何模型的建立

以TA18φ8×1管材為研究對(duì)象，管套材料為15-5PH，模擬時(shí)做以下假設(shè)：

·材料為各向同性；

·由于成形時(shí)有3個(gè)滾柱高速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)管未受力的時(shí)間非常短，因此可以把滾柱與導(dǎo)管之間看作是連續(xù)接觸。

做了以上假設(shè)后，內(nèi)徑滾壓可視為軸對(duì)稱問(wèn)題，簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題，只截取一縱向平面進(jìn)行模擬。管套和導(dǎo)管為變形體，離散為軸對(duì)稱實(shí)體單元，采用Von Mises屈服準(zhǔn)則；滾柱為剛體，外套螺母只截取與管套配合一段，定義為剛體。利用ABAQUS/Explicit模塊進(jìn)行求解，有限元模型如圖2所示。

2.2 約束與加載

由于導(dǎo)管與管套的連接狀況直接影響接頭連接強(qiáng)度的大小，因此，有限元模擬把導(dǎo)管與管套的連接成形與連接強(qiáng)度測(cè)試放在1個(gè)模型中完成，整個(gè)計(jì)算過(guò)程分為5個(gè)工步：（1）滾柱與導(dǎo)管內(nèi)壁接觸；（2）連接成形；（3）滾柱退回卸載；（4）導(dǎo)管內(nèi)壁加壓,外套螺母軸向移動(dòng)；（5）外套螺母退回卸載。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

表1 材料參數(shù)

圖3 受拉前后形貌對(duì)比Fig.3 Comparison of pattern between before and after pulling

連接成形過(guò)程中，滾柱施加徑向位移約束，管套外部節(jié)點(diǎn)和端部節(jié)點(diǎn)約束；連接強(qiáng)度試驗(yàn)中，由于模擬真實(shí)試驗(yàn)過(guò)程較為復(fù)雜，本文將此問(wèn)題簡(jiǎn)化為外套螺母沿軸向施加一定位移0.5mm，產(chǎn)生對(duì)管套的軸向拉力，觀察在軸向拉力作用下，管套和導(dǎo)管之間以及外套螺母與管套之間接觸力的變化規(guī)律，在此過(guò)程中，管材內(nèi)壁施加徑向壓力，去掉管套外部約束[7-10]。

各組件間切向接觸采用摩擦系數(shù)為0.1的罰函數(shù)（Penalty）摩擦公式，法向接觸設(shè)為硬接觸（Hard Contact,HC）。

3 連接強(qiáng)度產(chǎn)生機(jī)理分析

圖3為導(dǎo)管與管套在受軸向拉力前后對(duì)比形貌。由圖可見(jiàn)，受拉后，導(dǎo)管與管套發(fā)生軸向相對(duì)滑動(dòng)，初始接觸狀況被破壞；嵌入管套凹槽的導(dǎo)管材料對(duì)管套起到軸向拉脫阻力，管套必須將嵌入其凹槽的導(dǎo)管材料破壞后，才能與導(dǎo)管拉脫。

圖 4為連接過(guò)程導(dǎo)管與管套之間接觸力變化規(guī)律曲線。從圖中可以看出，當(dāng)滾柱與導(dǎo)管接觸后，導(dǎo)管與管套之間的接觸力逐漸增大； 0.020s時(shí)，滾柱徑向進(jìn)給最大，接觸力達(dá)到最大值，其中徑向力為918kN，軸向力為25.5kN；滾柱卸載后，接觸力急劇下降，連接結(jié)束后（0.030s時(shí)），導(dǎo)管與管套保持一恒定殘余接觸力，徑向?yàn)?9.5kN，軸向?yàn)?5kN。因此，導(dǎo)管與管套連接件的連接強(qiáng)度是由徑向接觸力和導(dǎo)管材料嵌入管套凹槽產(chǎn)生的軸向拉脫阻力共同形成的，但以徑向力為主。

表2 連接強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

圖4 連接過(guò)程導(dǎo)管與管套之間接觸力變化曲線Fig.4 Change curve of contact force in the connecting process

圖5 連接強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程接觸力變化曲線Fig.5 Change curve of contact force in the connection strength test

圖5為連接強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程，外套螺母與管套之間和導(dǎo)管與管套之間接觸力的變化曲線?？梢?jiàn)當(dāng)管套受到外套螺母的軸向拉力后，導(dǎo)管與管套之間的接觸狀態(tài)被破壞，徑向接觸力急劇下降，而軸向力隨著外套螺母對(duì)管套施加的軸向力的增大而逐漸增大，導(dǎo)管與管套之間軸向接觸力的增大是由嵌入管套凹槽的導(dǎo)管材料的拉脫阻力形成的，因此，管套凹槽結(jié)構(gòu)必然對(duì)拉脫阻力有較大影響；當(dāng)外套螺母退回卸載后，導(dǎo)管與管套還未完全拉脫，仍然存在徑向殘余接觸力，大約為22.2kN，而軸向力減為0，所以導(dǎo)管與管套之間較小相對(duì)滑動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致徑向接觸力消失，導(dǎo)管與管套仍然能夠緊密接觸。

4 不同結(jié)構(gòu)管套對(duì)連接強(qiáng)度的影響規(guī)律分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

從上述分析可以得出，管套內(nèi)部凹槽是連接件連接強(qiáng)度產(chǎn)生的原因之一，管套凹槽結(jié)構(gòu)對(duì)連接強(qiáng)度必然有非常大的影響。

本文采用連接強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試管套凹槽深度及寬度對(duì)連接強(qiáng)度的影響，管套內(nèi)部典型結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6所示。其中，h1、h2和h3分別為3個(gè)凹槽的深度，L1為凸臺(tái)寬度，L2為凹槽寬度，L為管套內(nèi)部結(jié)構(gòu)區(qū)域。

圖6 管套結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Abridged general view of sleeve structure

試驗(yàn)中，保持L固定不變，以凹槽深度和凹槽與凸臺(tái)寬度比值D為變量，采用無(wú)量綱設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)管套內(nèi)部結(jié)構(gòu)，連接強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。每種連接件以管材填滿管套凹槽為最佳連接狀態(tài)，通過(guò)1組基礎(chǔ)連接試驗(yàn)，并剖切試驗(yàn)件查看連接狀態(tài)，連接件剖切如圖7所示，其中1個(gè)凹槽已填滿，確定每種連接件的最佳成形扭矩?cái)?shù)據(jù)見(jiàn)表2，研制的連接強(qiáng)度試驗(yàn)件如圖8所示。

圖7 連接件剖切圖Fig.7 Section plane of tube joint

圖8 連接強(qiáng)度試驗(yàn)件Fig.8 Connection strength part

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)GJB 3230-1998《航空液壓導(dǎo)管和接頭試驗(yàn)方法》的要求，對(duì)試驗(yàn)組件內(nèi)部加壓至工作壓力進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以（4±0.3）mm/min的速度進(jìn)行拉伸試驗(yàn)直至管套拉脫或?qū)Ч芾瓟?，試?yàn)件失效后如圖9所示。

圖9 連接強(qiáng)度試驗(yàn)件失效照片F(xiàn)ig.9 Inactivation photograph of connection strength

表3為不同凹槽深度連接件連接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。從表3的數(shù)據(jù)來(lái)看，H2和H3的連接件的導(dǎo)管拉斷，導(dǎo)管與管套連接處完好，說(shuō)明接頭連接強(qiáng)度大于導(dǎo)管斷裂強(qiáng)度，接頭連接性能較強(qiáng)；H0的連接件連接強(qiáng)度與有凹槽的管套相比明顯低，說(shuō)明管套凹槽有助于提高接頭連接強(qiáng)度；H1的連接件出現(xiàn)導(dǎo)管與管套拉脫，說(shuō)明H1的連接件接頭連接強(qiáng)度比H2和H3的差。

表3 不同凹槽深度連接件連接強(qiáng)度

綜合以上分析可以得出，管套凹槽加深，管材嵌入凹槽的深度加大，增加了連接件軸向抗拉脫阻力。因此，管套凹槽適當(dāng)加深可以提高連接強(qiáng)度。

表4為不同凹槽與凸臺(tái)寬度比值連接件試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。從表 4的數(shù)據(jù)來(lái)看，D16和D26的管套連接件導(dǎo)管拉斷，說(shuō)明接頭連接強(qiáng)度比導(dǎo)管斷裂強(qiáng)度大，接頭連接性能較強(qiáng)；從D46到D86，連接件都是管套與導(dǎo)管拉脫，說(shuō)明接頭連接強(qiáng)度比導(dǎo)管斷裂強(qiáng)度小，并且隨著凸臺(tái)寬度的增大，連接強(qiáng)度逐漸減小，如圖10所示。這是因?yàn)橄嗤尚螚l件下，隨著凸臺(tái)寬度的增加，管材越難以嵌入凹槽，填充量越小，如圖11所示，形成的軸向抗拉脫力降低，接頭連接強(qiáng)度也隨之減小。因此，管套凸臺(tái)寬度與凹槽寬度的比值不宜超過(guò)2∶3。

表4 不同凹槽與凸臺(tái)寬度連接件連接強(qiáng)度

圖10 凸臺(tái)寬度對(duì)連接強(qiáng)度的影響規(guī)律Fig.10 Effect regularity of the boss width to connection strength

圖11 不同凹槽寬度管材填充量剖視Fig.11 Section plane for the filling of tube in the different sleeve beard

5 結(jié)論

本文采用有限元模擬方法，掌握了鈦合金導(dǎo)管無(wú)擴(kuò)口內(nèi)徑滾壓連接件連接強(qiáng)度產(chǎn)生機(jī)理，闡明連接強(qiáng)度是由導(dǎo)管與管套徑向殘余接觸力和管材嵌入管套凹槽形成的軸向抗拉脫阻力共同產(chǎn)生的。采用連接強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)，獲得了不同管套結(jié)構(gòu)對(duì)連接強(qiáng)度的影響規(guī)律：管套凹槽適當(dāng)加深可以增加連接件連接強(qiáng)度，凸臺(tái)寬度過(guò)寬，會(huì)阻礙管材嵌入管套凹槽，從而降低連接強(qiáng)度，凸臺(tái)寬度與凹槽寬度比值應(yīng)控制在2∶3以內(nèi)。

本文所得結(jié)論對(duì)管套結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高無(wú)擴(kuò)口連接件接頭性能，從而對(duì)提高飛機(jī)安全可靠性具有重要指導(dǎo)意義。

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