沈 祥 任重遠(yuǎn) 簡夕忠

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民用飛機(jī)高壓管路的載荷與應(yīng)力計算

沈 祥 任重遠(yuǎn) 簡夕忠

基于對某型民用飛機(jī)兩種不同設(shè)計方案的高壓導(dǎo)管的載荷和應(yīng)力研究，形成了高壓導(dǎo)管的有限元建模方法，并總結(jié)了一些高壓導(dǎo)管的力學(xué)設(shè)計方法。首先運(yùn)用Patran 2010建立了兩種不同方案的高壓導(dǎo)管有限元模型，通過對實際工況和邊界條件的模擬，計算其載荷和應(yīng)力結(jié)果。依據(jù)計算結(jié)果對比分析了兩種方案的優(yōu)劣，并根據(jù)計算分析結(jié)果歸納總結(jié)出了高壓導(dǎo)管力學(xué)性能設(shè)計的一般規(guī)律及設(shè)計方法。本文的計算分析結(jié)果對民用飛機(jī)高壓導(dǎo)管的力學(xué)性能設(shè)計提供了一定的工程依據(jù)和指導(dǎo)作用。

高壓導(dǎo)管廣泛運(yùn)用于飛機(jī)空氣管理系統(tǒng)，其貫穿發(fā)動機(jī)短艙、吊掛、機(jī)翼、機(jī)身、翼身整流罩等多個區(qū)域，將空氣管理系統(tǒng)的主要部件相互連接起來。實際使用經(jīng)驗表明，由于導(dǎo)管內(nèi)外壓差大，使用環(huán)境溫度高，機(jī)體變形及飛機(jī)加速度等因素，幾乎所有的飛機(jī)型號都無一例外的發(fā)生過高壓導(dǎo)管斷裂，破損，泄漏等事故，不僅影響到空氣管理系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，而且嚴(yán)重威脅到飛機(jī)和機(jī)組乘客的安全。因此，在高壓導(dǎo)管設(shè)計中，應(yīng)對其結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計給予足夠重視。

本文首先介紹了某型飛機(jī)高壓導(dǎo)管的功用和組成。利用有限元分析方法，從載荷，變形和強(qiáng)度三方面對比分析高壓導(dǎo)管不同設(shè)計方案的優(yōu)劣。并根據(jù)計算分析結(jié)果歸納總結(jié)出了高壓導(dǎo)管系統(tǒng)力學(xué)性能設(shè)計的一般規(guī)律及設(shè)計方法。

高壓導(dǎo)管系統(tǒng)介紹

高壓導(dǎo)管系統(tǒng)功用和組成

飛機(jī)高壓導(dǎo)管主要功用有 ：為空調(diào)、防冰和燃油墮化系統(tǒng)提供高壓氣；啟動發(fā)動機(jī)。

高壓導(dǎo)管主要由APU引氣導(dǎo)管，交樞引氣管，機(jī)翼前緣引氣段，空調(diào)組件進(jìn)口段和配平空氣段組成，如圖1所示。

高壓導(dǎo)管連接件

由于加工，裝配等限制因素，往往需要用連接件將數(shù)段導(dǎo)管連接成一體。高壓導(dǎo)管連接件分為剛性和柔性兩種。

V型卡箍

V型卡箍是常用剛性導(dǎo)管連接件，結(jié)構(gòu)如圖2所示。左右兩部分分段導(dǎo)管在末端伸出連接法蘭，兩端對齊后用卡箍套上，并擰緊螺栓將法蘭壓緊并實現(xiàn)密封。卡箍由耐腐蝕鋼制成，承載能力較強(qiáng)。

球形接頭

高壓導(dǎo)管常需要柔性連接件對導(dǎo)管進(jìn)行受載變形上的補(bǔ)償，圖3為常用的密封式球形接頭。其泄露率低，能傳遞較大軸向載荷，并且允許一定的角向變形，在發(fā)生偏轉(zhuǎn)時不存在預(yù)載荷。

高壓導(dǎo)管支承件

高壓導(dǎo)管支承件的作用是將導(dǎo)管安裝在飛機(jī)主結(jié)構(gòu)上，并將導(dǎo)管的載荷釋放到飛機(jī)結(jié)構(gòu)上。常用的支承件有拉桿，鞍座夾和固定支架。

拉桿

空氣管理系統(tǒng)大量采用如圖4所示的拉桿進(jìn)行裝配鏈接，該種拉桿為分體式拉桿，主要由桿體，擰緊螺母及其鎖死裝置和軸承桿端件組成。

鞍座夾

鞍座夾分兩半，通過螺栓合攏并將導(dǎo)管安裝到飛機(jī)結(jié)構(gòu)上。鞍座夾內(nèi)壁附有橡膠墊圈，有減振作用，鞍座夾可以在徑向上具有約束作用，橡膠圈與導(dǎo)管之間的摩擦力，有一定的軸向和周向約束作用。其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

支架

支架直接將導(dǎo)管固定在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，支架的形態(tài)各異，根據(jù)需要和空間限制設(shè)計其結(jié)構(gòu)尺寸，它的一端焊接在導(dǎo)管上，另一端通過螺栓組固定在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，該種支承件具有6個自由度的約束能力，圖6為某一支架結(jié)構(gòu)。

法蘭盤連接

圖1　某型飛機(jī)高壓導(dǎo)管結(jié)構(gòu)圖

圖2　V型卡箍

圖3　密封式球型接頭

圖4　拉桿的組成

導(dǎo)管也常使用法蘭盤直接固定在飛機(jī)主結(jié)構(gòu)上，如圖7所示。法蘭盤的一端與導(dǎo)管焊接，另一端通過螺栓組固支在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，這種支承方式剛度最強(qiáng)。

圖5　鞍座夾結(jié)構(gòu)圖

圖6　支架

圖7　法蘭盤固支

圖8　高壓導(dǎo)管1號方案的約束（左側(cè)）

圖9　高壓導(dǎo)管1號方案的約束（右側(cè)）

圖10　高壓導(dǎo)管2號方案的約束（左側(cè)）

圖11　高壓導(dǎo)管2號方案的約束（右側(cè)）

高壓導(dǎo)管建模

高壓導(dǎo)管壁厚1.27mm，直徑分為100.33mm及50.16mm兩種不同尺寸。導(dǎo)管及支架為鈦合金制成，拉桿為合金鋼制成。建模時，絕熱層及其它一些附件忽略不計。V型卡箍和導(dǎo)管簡化為一體，并用4節(jié)點面單元模擬，導(dǎo)管上集成的閥門等設(shè)備用集中質(zhì)量單元模擬。采用桿單元模擬拉桿，bush單元模擬支架、鞍座夾和球形接頭等連接支承件。

另外，由于直管段載荷傳遞較為簡單，這里僅計算分析交樞引氣段，空調(diào)組件進(jìn)口及配平段（圖1中紅色標(biāo)記區(qū)域）等導(dǎo)管走勢較為復(fù)雜的部段。

連接與支承的剛度

根據(jù)高壓導(dǎo)管外徑尺寸的不同，共有兩種不同尺寸的球形接頭和鞍座夾。球接頭、鞍座夾和支架剛度如表1～表3所示。

表1　球接頭剛度

表2　鞍座夾剛度

表3　支架剛度

工況

高壓導(dǎo)管的主要受載來源有管內(nèi)外壓差和飛機(jī)在6個方向的加速度慣性載荷，因此本文共計算7個工況，如表4所示。這里取導(dǎo)管最大持續(xù)工作壓差為0.4MPa。

表4　工況

邊界條件

高壓導(dǎo)管在飛機(jī)上的支承根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)因地制宜，其中拉桿支點僅在3個方向做平動約束，鞍座夾、支架和法蘭盤支點全約束。這里共有2個設(shè)計方案，1號方案邊界約束如圖8和圖9所示，2號方案如圖10和圖11所示。

相比于1號方案，2號方案將高壓導(dǎo)管分成了更多的部段，相應(yīng)增加了球接頭進(jìn)行連接，使得導(dǎo)管具有更好的變形補(bǔ)償能力。同時取消了左右兩側(cè)入口段上的支架和鞍座夾，改用組合拉桿進(jìn)行支承以分擔(dān)支架上較大的集中載荷。

圖12　彎管處應(yīng)力

高壓導(dǎo)管有限元分析

方案1載荷計算結(jié)果

對高壓導(dǎo)管有限元模型進(jìn)行靜力分析，計算在7個工況狀態(tài)下的載荷結(jié)果，各支點最大載荷計算結(jié)果如表5所示。

表5　各支點最大載荷

最大載荷出現(xiàn)在17號支點上，該支架承受3425.66N的力和137.89N.m的扭矩作用，對應(yīng)的工況為0.4MPa，向上（+Y）2.43g加速度。

方案1應(yīng)力計算結(jié)果

高壓導(dǎo)管大應(yīng)力區(qū)域多出現(xiàn)在彎管處和導(dǎo)管分叉處，如圖12所示。其中彎管處應(yīng)力水平介于40～50MPa之間，分叉連接處多處于65MPa～76MPa應(yīng)力水平。

導(dǎo)管最大應(yīng)力發(fā)生在5號工況下，位于左側(cè)入口導(dǎo)管與配平管之間的連接處，此時等效應(yīng)力達(dá)76.7MPa，如圖13所示。

方案2載荷計算結(jié)果

2號方案各支點最大載荷結(jié)果如表6所示。

圖13　最大應(yīng)力處

表6　各支點最大載荷

方案2應(yīng)力計算結(jié)果

2號方案導(dǎo)管大應(yīng)力區(qū)域依然出現(xiàn)在彎管處和導(dǎo)管分叉處，其中彎管處應(yīng)力水平60MPa左右，分叉位置應(yīng)力多處于80MPa左右，但右側(cè)入口導(dǎo)管與配平管路之間的連接處達(dá)到最大應(yīng)力314MPa（如圖14所示），最大應(yīng)力發(fā)生在5號工況下。

對比分析

支點載荷對比分析

方案1中共有3處使用法蘭盤固支，最大載荷2381.08N，最大扭矩18.36 N.m。方案2中法蘭盤支承位置沒有更改，且所受的最大載荷2497.3N，最大扭矩20.34N.m，增加不大。

方案1中使用較多的鞍座夾約束導(dǎo)管的徑向位移，并安置了3個支架約束導(dǎo)管角位移。鞍座夾的所受最大載荷192N，最大扭矩6.32N.m，鞍座夾為合金鋼制造，所受的載荷較小。而由于支架本身剛度較大，約束力強(qiáng)，所受的載荷較大，最大載荷達(dá)3425.66N，最大扭矩137.89N.m。

為了降低支架所受載荷，在2號方案中，取消了兩處受載荷較大的支架和三處鞍座夾，并用拉桿替代支承，同時增加了導(dǎo)管分段，以增加導(dǎo)管自身的變形補(bǔ)償能力。在2號方案中，鞍座夾所受載荷有所增加，最大載荷295.36N，扭矩7.69 N.m。而保留的支架所受載荷為454.58N，扭矩14.28 N.m，所受載荷增加不大。

2號方案相較于1號方案，拉桿載荷有所增加，最大載荷為3179.01N。拉桿為合金鋼支承，其強(qiáng)度極限1293MPa，拉桿橫截面積為76.4mm2，橫截面最大應(yīng)力為41.6MPa，強(qiáng)度安全裕度按（1）式計算為30.1，滿足強(qiáng)度要求。

綜上，減少支架和鞍座夾數(shù)量，使用拉桿替代支承，并相應(yīng)將導(dǎo)管分割為更多部段，可以減小導(dǎo)管支點載荷大小。

導(dǎo)管應(yīng)力對比分析

高壓導(dǎo)管由Ta7制成，強(qiáng)度極限608MPa。1號方案最大應(yīng)力為76.7MPa，強(qiáng)度安全裕度為6.9。

2號方案最大應(yīng)力為314MPa（如圖15所示），大應(yīng)力僅出現(xiàn)于右側(cè)入口導(dǎo)管與配平管路之間的連接處，這是因為2號方案入口段分割成若干段，最后一段跨度較長，彎管處承受較大的氣動力，且氣動力偏離管路末端軸線，相當(dāng)于對管路末段形成了一個扭轉(zhuǎn)力矩，該段管路由5枚拉桿支承，在路周向上缺少約束，最終扭矩傳遞到了入口段與配平段的連接處，此處應(yīng)力集中明顯，局部應(yīng)力較大。2號方案安全裕度0.94，滿足強(qiáng)度要求。

圖14　方案2最大應(yīng)力處

圖15　方案2入口導(dǎo)管的變形趨勢

結(jié)語

（1）高壓導(dǎo)管彎曲轉(zhuǎn)折處越多，支點所受載荷越大，將彎管分割成更多的部段有利于降低導(dǎo)管支點的載荷。

（2）用拉桿替代支架支承，可以消除支點處的扭轉(zhuǎn)力矩，進(jìn)一步降低支點載荷，但同時對導(dǎo)管的周向約束減弱了，變形量有所增加。

（3）取消支架等約束力強(qiáng)的支承方式，并用拉桿替代，相當(dāng)于部分約束力轉(zhuǎn)變成了導(dǎo)管結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力，尤其是在導(dǎo)管彎曲或分叉連接處，應(yīng)力增加明顯。

沈 祥 任重遠(yuǎn) 簡夕忠

上海飛機(jī)設(shè)計研究院

沈祥，男，碩士，助理工程師，主要從事系統(tǒng)設(shè)備強(qiáng)度校核工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.012