民用飛機高壓管路的載荷與應力計算

沈 祥 任重遠 簡夕忠

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民用飛機高壓管路的載荷與應力計算

沈 祥 任重遠 簡夕忠

基于對某型民用飛機兩種不同設計方案的高壓導管的載荷和應力研究，形成了高壓導管的有限元建模方法，并總結(jié)了一些高壓導管的力學設計方法。首先運用Patran 2010建立了兩種不同方案的高壓導管有限元模型，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)出了高壓導管力學性能設計的一般規(guī)律及設計方法。本文的計算分析結(jié)果對民用飛機高壓導管的力學性能設計提供了一定的工程依據(jù)和指導作用。

高壓導管廣泛運用于飛機空氣管理系統(tǒng)，其貫穿發(fā)動機短艙、吊掛、機翼、機身、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，由于導管內(nèi)外壓差大，使用環(huán)境溫度高，機體變形及飛機加速度等因素，幾乎所有的飛機型號都無一例外的發(fā)生過高壓導管斷裂，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)，而且嚴重威脅到飛機和機組乘客的安全。因此，在高壓導管設計中，應對其結(jié)構(gòu)力學設計給予足夠重視。

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

高壓導管系統(tǒng)介紹

高壓導管系統(tǒng)功用和組成

飛機高壓導管主要功用有 ：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。

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

高壓導管連接件

由于加工，裝配等限制因素，往往需要用連接件將數(shù)段導管連接成一體。高壓導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管連接件，結(jié)構(gòu)如圖2所示。左右兩部分分段導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。

球形接頭

高壓導管常需要柔性連接件對導管進行受載變形上的補償，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)時不存在預載荷。

高壓導管支承件

高壓導管支承件的作用是將導管安裝在飛機主結(jié)構(gòu)上，并將導管的載荷釋放到飛機結(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管安裝到飛機結(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

支架直接將導管固定在飛機結(jié)構(gòu)上，支架的形態(tài)各異，根據(jù)需要和空間限制設計其結(jié)構(gòu)尺寸，它的一端焊接在導管上，另一端通過螺栓組固定在飛機結(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　某型飛機高壓導管結(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

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

圖5　鞍座夾結(jié)構(gòu)圖

圖6　支架

圖7　法蘭盤固支

圖8　高壓導管1號方案的約束（左側(cè)）

圖9　高壓導管1號方案的約束（右側(cè)）

圖10　高壓導管2號方案的約束（左側(cè)）

圖11　高壓導管2號方案的約束（右側(cè)）

高壓導管建模

高壓導管壁厚1.27mm，直徑分為100.33mm及50.16mm兩種不同尺寸。導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型卡箍和導管簡化為一體，并用4節(jié)點面單元模擬，導管上集成的閥門等設備用集中質(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)組件進口及配平段（圖1中紅色標記區(qū)域）等導管走勢較為復雜的部段。

連接與支承的剛度

根據(jù)高壓導管外徑尺寸的不同，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

高壓導管的主要受載來源有管內(nèi)外壓差和飛機在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。這里取導管最大持續(xù)工作壓差為0.4MPa。

表4　工況

邊界條件

高壓導管在飛機上的支承根據(jù)飛機結(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號方案將高壓導管分成了更多的部段，相應增加了球接頭進行連接，使得導管具有更好的變形補償能力。同時取消了左右兩側(cè)入口段上的支架和鞍座夾，改用組合拉桿進行支承以分擔支架上較大的集中載荷。

圖12　彎管處應力

高壓導管有限元分析

方案1載荷計算結(jié)果

對高壓導管有限元模型進行靜力分析，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，對應的工況為0.4MPa，向上（+Y）2.43g加速度。

方案1應力計算結(jié)果

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

導管最大應力發(fā)生在5號工況下，位于左側(cè)入口導管與配平管之間的連接處，此時等效應力達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　最大應力處

表6　各支點最大載荷

方案2應力計算結(jié)果

2號方案導管大應力區(qū)域依然出現(xiàn)在彎管處和導管分叉處，其中彎管處應力水平60MPa左右，分叉位置應力多處于80MPa左右，但右側(cè)入口導管與配平管路之間的連接處達到最大應力314MPa（如圖14所示），最大應力發(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管的徑向位移，并安置了3個支架約束導管角位移。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，所受的載荷較大，最大載荷達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，同時增加了導管分段，以增加導管自身的變形補償能力。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，其強度極限1293MPa，拉桿橫截面積為76.4mm2，橫截面最大應力為41.6MPa，強度安全裕度按（1）式計算為30.1，滿足強度要求。

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

導管應力對比分析

高壓導管由Ta7制成，強度極限608MPa。1號方案最大應力為76.7MPa，強度安全裕度為6.9。

2號方案最大應力為314MPa（如圖15所示），大應力僅出現(xiàn)于右側(cè)入口導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，此處應力集中明顯，局部應力較大。2號方案安全裕度0.94，滿足強度要求。

圖14　方案2最大應力處

圖15　方案2入口導管的變形趨勢

結(jié)語

（1）高壓導管彎曲轉(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，進一步降低支點載荷，但同時對導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的支承方式，并用拉桿替代，相當于部分約束力轉(zhuǎn)變成了導管結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力，尤其是在導管彎曲或分叉連接處，應力增加明顯。

沈 祥 任重遠 簡夕忠

上海飛機設計研究院

沈祥，男，碩士，助理工程師，主要從事系統(tǒng)設備強度校核工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.012