■ 王浩森 田彥明 梁彩云 韓福金 李忠飛 /中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所

柔性管路在國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用剛剛起步，其運(yùn)動(dòng)空間評(píng)估、管路本體變形量和變形趨勢(shì)分析、管路本體和連接件的應(yīng)力分布，以及在飛發(fā)耦合振動(dòng)環(huán)境下的疲勞壽命控制等都缺少定量的仿真分析手段。本項(xiàng)目針對(duì)實(shí)際需求，開展了柔性管路的仿真研究、分析與應(yīng)用工作，有效地提高了研制效率，縮短了研制周期。

柔性管路是指在額定彎曲半徑條件下，可隨意彎曲且彎曲時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力之和較小且不會(huì)發(fā)生永久塑性變形的管路，在航空、航天、船舶、深?？碧?、汽車等領(lǐng)域都有應(yīng)用。柔性管路相對(duì)剛性管路具有裝配補(bǔ)償能力強(qiáng)、變形范圍大、表面缺陷敏感度低和結(jié)構(gòu)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可以更好地滿足先進(jìn)飛機(jī)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜安裝和維護(hù)的要求。

作為多層材料耦合結(jié)構(gòu)，柔性管路的力學(xué)特性與不銹鋼、鈦合金等單一材料不同，受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)變化的影響較大，且柔性管路大多用于振動(dòng)環(huán)境復(fù)雜、裝配補(bǔ)償和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償同時(shí)存在、多自由度變化的場(chǎng)合。

為減小因柔性管路的使用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研制帶來的風(fēng)險(xiǎn)，需要通過計(jì)算分析和試驗(yàn)考核等手段，準(zhǔn)確地掌握其變形趨勢(shì)、適用場(chǎng)合和應(yīng)力分布特點(diǎn)。但受柔性管路自身特點(diǎn)和其工作環(huán)境的限制，常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)臺(tái)很難準(zhǔn)確地模擬出柔性管路的真實(shí)工作環(huán)境，而采用飛機(jī)試飛的驗(yàn)證方式則成本過高、風(fēng)險(xiǎn)較大。因此，對(duì)柔性管路工作過程的仿真分析變得至關(guān)重要。

發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路

柔性管路仿真技術(shù)的確立

柔性管路仿真通常是指無需柔性管路物理模型，直接利用計(jì)算機(jī)工具做出或輔助做出與設(shè)計(jì)、裝配、試驗(yàn)、維修有關(guān)的工程決策。柔性管路仿真不僅需要考慮柔性體的靜態(tài)變形影響，還要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)工作運(yùn)行狀態(tài)對(duì)柔性管路的影響。柔性管路仿真實(shí)際上是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)，可視化技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，仿真技術(shù)，決策技術(shù)，系統(tǒng)工程，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、裝配、試驗(yàn)和制造技術(shù)等多門學(xué)科與技術(shù)的結(jié)合。

國(guó)際上關(guān)于柔性管路仿真的研究多停留在虛擬環(huán)境下半自動(dòng)及全自動(dòng)管路布局設(shè)計(jì)算法優(yōu)化及人機(jī)交互式布線的人機(jī)工效分析方面，鮮有考慮動(dòng)態(tài)裝配過程或動(dòng)態(tài)環(huán)境對(duì)柔性管路的實(shí)時(shí)影響。

虛擬仿真、數(shù)值仿真、過程仿真、系統(tǒng)仿真技術(shù)對(duì)比

柔性管路設(shè)計(jì)仿真流程

本項(xiàng)目主要采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行柔性管路設(shè)計(jì)仿真驗(yàn)證。虛擬仿真與數(shù)值仿真、過程仿真、系統(tǒng)仿真等相互包含，沒有明確界限。其中，數(shù)值仿真是指采用數(shù)值計(jì)算的方式，對(duì)某一個(gè)特性或多個(gè)特性進(jìn)行定量分析的方法；過程仿真是指對(duì)某一動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行仿真并分析這一過程中某一時(shí)間點(diǎn)的特性；系統(tǒng)仿真是指通過仿真方式模擬復(fù)雜系統(tǒng)或部件的功能特性或性能特性。

虛擬仿真與數(shù)值仿真、過程仿真、系統(tǒng)仿真相比，雖然實(shí)現(xiàn)難度大、技術(shù)投入高，但其實(shí)時(shí)性、技術(shù)性、仿真范圍、可交互性、仿真維度和用戶體驗(yàn)均為最佳。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)而言，虛擬仿真的應(yīng)用在降低成本、縮短周期、提高效率和節(jié)約資源等方面擁有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

柔性管路仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目主要致力于柔性管路仿真方法的研究，以仿真分析柔性管路的運(yùn)動(dòng)變形、干涉檢查、變形時(shí)應(yīng)力分布、折彎半徑/扭轉(zhuǎn)角度計(jì)算為重點(diǎn)，為型號(hào)研制提供柔性管路仿真解決方法，提高型號(hào)研制效率與質(zhì)量?？傮w思路是在虛擬環(huán)境中建立數(shù)字化管路模型，并基于該模型對(duì)柔性管路進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬、形變計(jì)算、應(yīng)力分析、功能測(cè)試、性能評(píng)價(jià)等仿真驗(yàn)證。

項(xiàng)目的研究與應(yīng)用分三步實(shí)施：第一步，全面梳理航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)柔性管路仿真需求，分析應(yīng)用前景，研究仿真流程與規(guī)范，構(gòu)建柔性管路仿真虛擬環(huán)境；第二步，調(diào)研柔性仿真技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合型號(hào)應(yīng)用，開展柔性仿真建模研究；第三步，開展柔性管路運(yùn)動(dòng)變形仿真研究，分析應(yīng)力分布、折彎半徑/扭轉(zhuǎn)角度、拆裝可行性等內(nèi)容，推廣型號(hào)應(yīng)用。

構(gòu)建柔性管路仿真虛擬環(huán)境

本研究立足于行業(yè)實(shí)際，將虛擬環(huán)境劃分為基礎(chǔ)支撐層、模型轉(zhuǎn)化層、仿真軟件層、應(yīng)用分析層和結(jié)果反饋層共5個(gè)層次。

在搭建好柔性管路仿真系統(tǒng)邏輯架構(gòu)后，具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑如下：

● 建立優(yōu)化的柔性管路仿真軟硬件環(huán)境，整合柔性體工具軟件，形成柔性管路虛擬環(huán)境平臺(tái)；

● 以現(xiàn)有設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)模型，在模型系統(tǒng)與柔性體仿真工具之間用專業(yè)模型轉(zhuǎn)化工具，對(duì)模型互轉(zhuǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化，并將柔性管路以外的其他剛體模型導(dǎo)入柔性管路虛擬環(huán)境；

● 在柔性管路虛擬環(huán)境中初步構(gòu)建柔性管路模型；

● 設(shè)置柔性管路內(nèi)徑、外徑、彈性模量等參數(shù)以及將柔性管路兩端的位移量作為運(yùn)動(dòng)仿真初始輸入變量；

● 定義參考坐標(biāo)系，定義柔性管路運(yùn)動(dòng)規(guī)則；

● 依據(jù)最小勢(shì)能體原理分析模擬柔性管路運(yùn)動(dòng)變形，將柔性管路作為一維體處理，并基于Kirchhoff假設(shè)，即橫截面是剛性的，在形變的過程中保持原狀，而且橫截面與中心軸切線方向垂直；

● 基于彈性細(xì)桿力學(xué)模型分析應(yīng)力分布；

● 采用標(biāo)架模型和物質(zhì)標(biāo)架描述幾何變形，分析折彎半徑/扭轉(zhuǎn)角度等特征參數(shù)；

● 形成仿真結(jié)果并輸出；

● 對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，如果需要進(jìn)行優(yōu)化擬合，則重新設(shè)置初始輸入變量，通過反復(fù)迭代形成仿真最優(yōu)結(jié)果。

柔性管路虛擬環(huán)境平臺(tái)邏輯架構(gòu)圖

發(fā)動(dòng)機(jī)柔性管路仿真應(yīng)用統(tǒng)計(jì)

推廣應(yīng)用

本項(xiàng)目將柔性管路試驗(yàn)項(xiàng)目通過仿真驗(yàn)證的方式實(shí)現(xiàn)，有效地減少了柔性管路研制過程中設(shè)計(jì)、仿真、裝配、試制、試驗(yàn)、制造、維修的迭代次數(shù)，做到時(shí)間上縮短、空間上協(xié)同、流程上并行和資源上節(jié)約。在涉及柔性管路設(shè)計(jì)的7個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)中全部采用柔性管路虛擬環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證與迭代優(yōu)化，表明技術(shù)已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)獲得了最大范圍的應(yīng)用和推廣；柔性管路仿真技術(shù)應(yīng)用得到型號(hào)研制人員的高度認(rèn)可，采用該技術(shù)進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證的柔性管路占現(xiàn)有設(shè)計(jì)柔性管路的95.1%；柔性管路虛擬環(huán)境的仿真結(jié)果不但在靜止?fàn)顟B(tài)下與真實(shí)試驗(yàn)驗(yàn)證一致，而且填補(bǔ)了多項(xiàng)技術(shù)空白。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，若采用試驗(yàn)驗(yàn)證方法，單根柔性管路平均試驗(yàn)驗(yàn)證周期約為165天，而采用仿真驗(yàn)證完成上述任務(wù)只需1～5天的時(shí)間，研制效率提高95%以上。以仿真結(jié)果作為發(fā)動(dòng)機(jī)研制的重要參考依據(jù)，極大地加快了型號(hào)研制進(jìn)程。

結(jié)束語

在我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)上增加新材料柔性管路應(yīng)用已成為必然趨勢(shì)。隨著中國(guó)航發(fā)“互聯(lián)網(wǎng)+航空發(fā)動(dòng)機(jī)”理念深入推廣，柔性管路仿真驗(yàn)證技術(shù)將具有更為廣闊的應(yīng)用前景。該項(xiàng)目應(yīng)用的技術(shù)成果，不僅適用于發(fā)動(dòng)機(jī)未來型號(hào)研制，還可以向其他軍工行業(yè)和民用領(lǐng)域推廣應(yīng)用。