基于CAEPIPE的高溫高壓引氣導(dǎo)管應(yīng)力分析

朱禹+劉超+王磊

【摘 要】本文在分析了民用客機(jī)高溫高壓引氣導(dǎo)管工作特性、材料特性、受力原理和布置方式的基礎(chǔ)上，基于CAEPIPE軟件建立了引氣導(dǎo)管的計(jì)算模型；并選用米塞斯應(yīng)力準(zhǔn)則，進(jìn)行了應(yīng)力計(jì)算與分析。研究工作對(duì)于我國民用客機(jī)導(dǎo)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；高溫高壓導(dǎo)管；應(yīng)力分析

0 引言

高壓引氣導(dǎo)管是飛機(jī)空氣管理系統(tǒng)必不可少的組成部分，負(fù)責(zé)運(yùn)輸氣體、保證能量供給的作用[1-2]。引氣導(dǎo)管內(nèi)流動(dòng)的高溫高壓氣體會(huì)施加機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力于管道；同時(shí)，導(dǎo)管與機(jī)身之間的連接部件還會(huì)將飛機(jī)載荷分布變化引起的位移和振動(dòng)傳遞給管道，影響約束邊界，形成附加應(yīng)力；由于導(dǎo)管穿過機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛、機(jī)身等多個(gè)區(qū)域，應(yīng)力集中可能引起的管道變形和疲勞破裂，不僅會(huì)影響環(huán)境控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，而且會(huì)給其他系統(tǒng)帶來安全隱患[3-5]，故高壓導(dǎo)管系統(tǒng)需具有較高的可靠性。

為了保證高壓導(dǎo)管的安全運(yùn)行，提高飛機(jī)的派遣率，在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段，有必要對(duì)高壓導(dǎo)管系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力設(shè)計(jì)分析。目前在高壓導(dǎo)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方面，國外相關(guān)機(jī)構(gòu)已開展了深入系統(tǒng)的研究，形成了較為完備的集熱學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、疲勞分析、故障模擬等于一體的系統(tǒng)理論分析方法與試驗(yàn)研究手段[6-7]，但由于保密等原因，相關(guān)報(bào)道甚少。國內(nèi)對(duì)該方面研究還處在起步階段，無論是理論分析還是試驗(yàn)驗(yàn)證均非常少，這種局面對(duì)于我國自主研制飛機(jī)十分不利。故接下來本文將對(duì)高壓導(dǎo)管展開應(yīng)力特性分析研究。

1 導(dǎo)管應(yīng)力計(jì)算流程及軟件

1.1 導(dǎo)管應(yīng)力計(jì)算內(nèi)容與準(zhǔn)則

客機(jī)的引氣導(dǎo)管系統(tǒng)主要由導(dǎo)管、法蘭、閥門、支撐結(jié)構(gòu)、補(bǔ)償裝置等組成，所受應(yīng)力主要由內(nèi)壓、導(dǎo)管的熱膨脹、外部載荷和偶然載荷等。綜上，對(duì)于高壓導(dǎo)管，無論是其結(jié)構(gòu)組成還是應(yīng)力分析都將會(huì)是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，這決定了研究工作必然是一個(gè)由粗到細(xì)的過程。

應(yīng)力分析與計(jì)算是研究管道在各種載荷作用下產(chǎn)生的力、力矩和廣義（等效）應(yīng)力。在應(yīng)力計(jì)算中，由于不同材料、部件的物性和結(jié)構(gòu)特性存在差異，相應(yīng)的應(yīng)力判據(jù)也有所不同，選擇合適的應(yīng)力準(zhǔn)則是應(yīng)力計(jì)算的基礎(chǔ)，對(duì)于金屬導(dǎo)管，米塞斯（Von Miese）屈服準(zhǔn)則為最符合的應(yīng)力準(zhǔn)則。

1.2 導(dǎo)管應(yīng)力計(jì)算軟件

目前壓力管道應(yīng)力分析和動(dòng)力分析方面，有CAEPIPE/CAESAR/MD NASTRAN等計(jì)算軟件。其中，CAEPIPE以其規(guī)范的通用管道設(shè)計(jì)、強(qiáng)大的分析功能、友好的界面、豐富的數(shù)據(jù)庫等優(yōu)勢為大客導(dǎo)管應(yīng)力分析提供了有利的技術(shù)保障；而MD NASTRAN軟件允許多學(xué)科在求解器內(nèi)核上的集成仿真，可求解線性、非線性、CFD、運(yùn)動(dòng)以及顯式非線性動(dòng)力學(xué)等問題，并能夠給出實(shí)體模型的三維仿真結(jié)果。但其計(jì)算模型復(fù)雜，計(jì)算速度較慢，任何部件都需要建立數(shù)值模型，效率較低。對(duì)于引氣導(dǎo)管的前期設(shè)計(jì)或簡單校核，可采用CAEPIPE進(jìn)行原始約束和支撐條件下的管道應(yīng)力分析，獲得應(yīng)力和位移分布結(jié)果。本文將以尾段輔助動(dòng)力裝置引氣導(dǎo)管為例，通過CAEPIPE建模進(jìn)行應(yīng)力分析。

2 輔助動(dòng)力裝置引氣導(dǎo)管

2.1 導(dǎo)管描述

輔助動(dòng)力裝置（Auxiliary Power Unit）引氣是客機(jī)引氣系統(tǒng)的重要組成部分，引氣系統(tǒng)可以根據(jù)工作狀態(tài)選擇從發(fā)動(dòng)機(jī)、輔助動(dòng)力裝置或高壓地面氣源引氣。在地面發(fā)動(dòng)機(jī)停車狀態(tài)或者空中應(yīng)急狀態(tài)下，輔助動(dòng)力裝置引氣系統(tǒng)可以為為座艙空調(diào)、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)提供氣源。圖1為尾段輔助動(dòng)力裝置引氣導(dǎo)管的模型圖。

2.2 材料特性及導(dǎo)管特性

引氣導(dǎo)管材料為鈦合金，型號(hào)為CP-1 Ti，密度ρ=4512kg/m3，努塞爾數(shù)Nu=0.3。典型溫度下的材料屬性如表l所示。計(jì)算過程中，其它溫度點(diǎn)的材料屬性可通過線性擬合獲得。其中E為彈性模量，α為線膨脹系數(shù)，F(xiàn)ty為材料屈服極限。

導(dǎo)管由兩段不同直徑的部分組成，兩段導(dǎo)管的截面屬性及保溫層屬性如表2所示。

2.3 導(dǎo)管附件

1）法蘭及V型卡箍。由于工藝及安裝要求，導(dǎo)管的長度存在限制，布置中采用法蘭作為斷點(diǎn)，將導(dǎo)管分為幾部分，導(dǎo)管與導(dǎo)管之間通過V型卡箍連接。

2）鞍形卡箍。鞍型卡箍主要用于限制導(dǎo)管側(cè)向位移，防止導(dǎo)管大變形時(shí)與周圍部件產(chǎn)生干涉，是導(dǎo)管系統(tǒng)位移約束的主要部件。

3）球形接頭。球形接頭為波紋管密封式球形接頭，其僅能在側(cè)向兩個(gè)自由度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。表3所示為球形接頭特性。

4）防火密封件。防火密封件用于隔離火區(qū)和非火區(qū)，材料為橡膠，會(huì)對(duì)導(dǎo)管施加一定的約束力。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 建模情況說明

根據(jù)導(dǎo)管模型圖中的管道布置和尺寸參數(shù)在CAEPIPE中建立如圖2所示的尾端輔助動(dòng)力裝置引氣導(dǎo)管模型，模型中主要的部件包括管道、固定點(diǎn)、卡箍、球形接頭、變徑等。圖2為節(jié)點(diǎn)圖。

其中拉桿的建模采用了等效建模的方法，假設(shè)拉桿為兩端為球形接頭的一段實(shí)心導(dǎo)管，并且一端固定，建模圖具體如圖3所示。

3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在應(yīng)力計(jì)算結(jié)果評(píng)估方面，通常需注意導(dǎo)管的應(yīng)力大小及分布、導(dǎo)管的安全裕度、支撐點(diǎn)及接口處的載荷大小、球形接頭的最大轉(zhuǎn)動(dòng)量以及導(dǎo)管的變形位移情況。其中，安全裕度=許用應(yīng)力/實(shí)際應(yīng)力-1。

取保護(hù)壓力的工況點(diǎn)作為輸入，計(jì)算結(jié)果如下，圖4為導(dǎo)管的應(yīng)力分布云圖，該圖表現(xiàn)了導(dǎo)管上應(yīng)力分布的范圍及分布情況。從圖中可以看出，應(yīng)力主要集中在第二個(gè)鞍形卡箍處。圖5為導(dǎo)管的安全裕度分布云圖，從圖中的分布情況來看，導(dǎo)管的安全裕度都大于1。

圖6表明了導(dǎo)管上所有球形接頭的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度，從圖中可以看出，所有球形接頭的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度均未超過最大允許的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，球形接頭的設(shè)計(jì)是符合要求的。

表4列出了鞍形卡箍以及兩個(gè)接口處的載荷大小，其中節(jié)點(diǎn)10和節(jié)點(diǎn) 370分別為導(dǎo)管與球面框的接口和導(dǎo)管與輔助動(dòng)力裝置的接口，節(jié)點(diǎn)70和節(jié)點(diǎn)180為兩個(gè)鞍形卡箍的位置。

表4 支撐點(diǎn)以及接口處的載荷

圖7是導(dǎo)管偏移量的示意圖，其中虛線部分是偏移方向及大小的示意，從圖中可以看出，第二個(gè)球形接頭處的偏移量是最大的，同時(shí)節(jié)點(diǎn)110、節(jié)點(diǎn) 270由于與結(jié)構(gòu)間隙最小，也需對(duì)其進(jìn)行考察。表5分別列出了三個(gè)節(jié)點(diǎn)處的位移偏移量，可以看出三個(gè)點(diǎn)處的偏移量都小于要求的半英寸。

圖7 導(dǎo)管偏移量示意圖

表5 節(jié)點(diǎn)偏移量

通過上述計(jì)算表明，導(dǎo)管的應(yīng)力情況、節(jié)點(diǎn)載荷、偏離量等均處于可接受范圍。

4 結(jié)論

本文在考察空氣導(dǎo)管結(jié)構(gòu)尺寸、材料物性參數(shù)、工作條件及布置方式等因素的基礎(chǔ)上，基于CAEPIPE軟件對(duì)尾段輔助動(dòng)力裝置引氣系統(tǒng)進(jìn)行建模和應(yīng)力分析，考察了其應(yīng)力分布、應(yīng)力大小、安全裕度、球形接頭轉(zhuǎn)動(dòng)量、支撐點(diǎn)和接口處的載荷大小以及關(guān)鍵位置的偏移量。結(jié)果表明，CAEPIPE能迅速、有效的模擬空氣導(dǎo)管的力學(xué)性能，為大型客機(jī)引氣導(dǎo)管的設(shè)計(jì)節(jié)約設(shè)計(jì)成本。

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