航空擴口導管連接仿真及結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

陳迪，楊杰，李偉剛，楊武飛，黃慶奕

（1.西南交通大學力學與工程學院，成都 610031；2.成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，成都 610091）

引言

航空導管主要應用于飛機液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等，是飛機上氣體和液體運輸?shù)闹饕d體［1］。航空導管在連接處常出現(xiàn)滲漏問題甚至破壞［2］，任意一根導管的損壞都可能造成重大事故［3］。航空導管的連接形式主要包含擴口式連接、法蘭連接和記憶合金連接等，其中擴口式連接是現(xiàn)役飛機液壓系統(tǒng)中應用最為廣泛的連接方式［4］。航空擴口導管連接方式如圖1所示，對外套螺母施加擰緊力矩，緊固力通過平管嘴傳遞到導管擴口端，形成導管與接頭間的面密封。

圖1 擴口式直通管連接方式

國內(nèi)外專家學者對航空導管連接結(jié)構(gòu)和密封性研究主要集中在理論推導、試驗驗證和仿真分析方面。理論研究方面，白永剛［5］通過對錐面密封的密封機理分析，推導出計算其漏率的理論公式。Pérez-Ràfols［6］提出一種波紋狀且表面粗糙的金屬與金屬接觸模型并推導出模型的滲漏率公式。熊影輝［7］對擴口管接頭進行力學分析，推導出擰緊過程拉扭關系公式。試驗研究方面，時偉［8］針對飛機導管及連接件研制出旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機。張凌云［9-10］對航空導管接頭進行了隨機振動試驗和彎曲疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋由導管與管套連接處產(chǎn)生并延展。仿真研究方面，梅加化［11］基于ABAQUS軟件對管錐面-球面結(jié)構(gòu)接頭進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)一定的塑性變形使得密封更加可靠。閆洋洋［12］建立卡套式管路密封的三維真實粗糙表面，相對光滑表面模型可以更準確反映密封性能變化規(guī)律。鄭世偉［13］利用ANSYS軟件研究了擰緊力矩對無擴口導管接頭處的密封性能影響，以密封面寬度作為評價指標得到最佳安裝力矩。於為剛［14］建立三維模型研究了裝配應力對管道密封特性的影響規(guī)律，認為擴口管路密封性能的影響因素包括表面質(zhì)量、密封面寬和密封比壓。陳芝來［15］建立二維模型對擴口式管接頭結(jié)構(gòu)仿真分析，以接觸應力分布為評價指標，研究擰緊力矩對密封性能影響。航空工業(yè)集團對航空導管及連接件的選材、尺寸和連接規(guī)范制定了相應的標準，但沒有對規(guī)范的依據(jù)進行闡述。航空擴口管接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)會影響導管連接的密封性能，因此導管與接頭錐面的接觸狀態(tài)成為研究的重點問題，目前針對航標中的兩種尺寸系列結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究較少?；诖?，本文使用仿真軟件ABAQUS，研究擴口導管及連接件結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封面接觸應力的影響，為航空導管密封性能優(yōu)化提供理論參考。

1 擴口導管連接仿真分析

1.1 兩種尺寸系列

隨著航空事業(yè)發(fā)展，導管的工作壓力逐漸提高，更高的工作壓力對飛機性能提升和重量優(yōu)化都有很大的作用［16］。航標根據(jù)導管不同的公稱尺寸［17］認定方式，提出了兩種尺寸系列結(jié)構(gòu)，第1尺寸系列使用導管的假定直徑作為公稱尺寸，第2尺寸系列使用導管的公稱外徑作為公稱尺寸。兩種尺寸系列對擴口導管及連接件尺寸大小和擰緊力矩的規(guī)定有所不同。

1.2 擴口導管連接模型建立

本文研究對象是尺寸為Φ10 mm×1 mm航空擴口導管連接結(jié)構(gòu)。由于擴口導管連接結(jié)構(gòu)的對稱性，對仿真模型進行簡化，建立二維旋轉(zhuǎn)軸對稱模型。二維平面模型相對于三維實體模型可以降低計算成本，便于劃分更精細的網(wǎng)格以提高計算精度。模型包含擴口導管（1Cr18Ni9Ti），管接頭錐形部分和平管嘴（1Cr12Mn5Ni4Mo3Al）3個部件，各部件的尺寸符合航空行業(yè)標準［18-20］規(guī)定。對導管及連接件材料進行了力學性能試驗，獲得材料參數(shù)見表1。再根據(jù)兩種尺寸系列的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立相應的計算模型。

表1 材料參數(shù)

航空擴口導管裝配時，在外套螺母上施加一定的擰緊力矩。在仿真模型中，對接頭錐形部分左端面施加軸線方向的位移約束，在平管嘴與外套螺母圓環(huán)接觸端面施加均布載荷。二維仿真模型邊界條件和載荷施加如圖2所示。

圖2 第1尺寸系列模型邊界條件和載荷

根據(jù)文獻［21］，對外套螺母進行受力分析。外套螺母受到的擰緊力矩T與螺紋摩擦力矩T1和外套螺母在平管嘴接觸面上的摩擦力矩T2兩者之和平衡，即：

螺紋摩擦力矩T1與緊固力F關系為：

其中：d2為螺紋中徑，φ為螺紋升角，μ為摩擦系數(shù)。平管嘴與外套螺母接觸面的摩擦力矩T2與緊固力F之間的關系為：

其中：D為平管嘴與外套螺母接觸的環(huán)形端面外圓半徑，d為環(huán)形端面內(nèi)圓半徑。由此可得擰緊力矩T與平管嘴所受緊固力F之間的關系為：

查閱機械資料，無潤滑情況下鋼材間的摩擦系數(shù)為0.15。航標HB4-1-2002［22］對擴口導管連接擰緊力矩進行了規(guī)范（表2）。選取擰緊力矩中間值進行分析，計算得到第1尺寸系列緊固力為13.43 kN，第2尺寸系列緊固力為19.78 kN。將緊固力施加到平管嘴端面上，第1尺寸系列端面施加壓強為212 MPa，第2尺寸系列端面施加壓強為307 MPa。

表2 外套螺母擰緊力矩規(guī)范

模型中導管兩側(cè)分別與接頭錐面和平管嘴內(nèi)表面接觸，使用ABAQUS/Standard分析接觸問題。定義接觸時選擇面對面離散方法，接觸的追蹤方式為有限滑移。接觸屬性部分，法向行為默認為硬接觸，切向行為選擇罰函數(shù)。對接頭、導管和平管嘴3個部件進行網(wǎng)格劃分，第1尺寸系列的模型網(wǎng)格和局部放大如圖3所示，模型總體單元數(shù)量為9475個。在接觸擠壓區(qū)域處網(wǎng)格細化，接觸區(qū)域的單元尺寸為0.05 mm，且細長比為1。網(wǎng)格單元類型以四節(jié)點雙線性軸對稱四邊形減縮積分單元（CAX4R）為主，部件內(nèi)存在少量三節(jié)點線性軸對稱三角形單元（CAX3）。

圖3 第1尺寸系列模型網(wǎng)格

1.3 兩種尺寸系列結(jié)果分析

不銹鋼為塑性材料，在復雜應力狀態(tài)下材料內(nèi)一點的形狀改變能密度達到材料拉伸試驗的極限值，該點就會發(fā)生塑性屈服，強度計算時一般采用第四強度理論。兩種尺寸系列擴口導管連接結(jié)構(gòu)的Mises應力分布如圖4所示，兩種尺寸系列模型應力分布趨勢一致，在導管擴口端、接頭錐形小端和平管嘴內(nèi)錐面存在高應力區(qū)。兩個模型的平管嘴與導管擴口端擠壓區(qū)寬度分別為2.2 mm和1.3 mm，第1尺寸系列平管嘴對導管的擠壓力更加均勻，第2尺寸導管受到的擠壓力相對集中。較大的緊固力和較小的擠壓面寬度使得第2尺寸系列結(jié)構(gòu)的最大應力達到1532 MPa。

圖4 擴口式連接應力云圖

以圖4（a）中錐面上a點到b點為觀測路徑，獲得第1尺寸系列接頭錐面的接觸應力分布情況，如圖5所示。同樣地，以圖4（b）中錐面對應的位置為觀測路徑，獲得第2尺寸系列接頭錐面上的接觸應力分布，如圖6所示。

圖5 第1尺寸系列錐面接觸應力

圖6 第2尺寸系列錐面接觸應力

從圖5可以看出，第1尺寸系列接頭錐面上距大端2.4 mm到4.2 mm區(qū)域的接觸應力值介于199 MPa~293 MPa間，平均接觸應力為246 MPa。接觸區(qū)兩端出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，接頭錐面小端的接觸應力峰值達到461 MPa，未達到導管材料的屈服強度，且較高的接觸應力有利于導管密封。從圖6可以看出，第2尺寸系列接頭錐面與導管接觸區(qū)域的應力分布情況為兩端小中間大，最大接觸應力位置為距接頭大端3.3 mm處，接觸應力峰值為489 MPa。密封面上接觸應力超過300 MPa的寬度達到1.6 mm，滿足航標中規(guī)定的密封面寬度要求。

第1尺寸系列連接結(jié)構(gòu)擠壓變形在彈性范圍內(nèi)，而第2尺寸系列導管擴口端部發(fā)生塑性變形，等效塑性應變?nèi)鐖D7所示，塑性變形發(fā)生在接頭和導管密封帶中部，在密封面上的寬度為1.1 mm，并且塑性變形區(qū)貫穿導管截面。適量的塑性變形可以使密封面微觀表面的凹凸不平得到一定的互補，降低表面粗糙度，進而提高導管的密封性能。

圖7 第2尺寸系列等效塑性應變云圖

2 連接結(jié)構(gòu)參數(shù)對接觸應力影響

2.1 接頭與導管間摩擦系數(shù)的影響

鋼材間的摩擦系數(shù)為0.15，表面油潤情況下摩擦系數(shù)為0.05~0.1，以接頭錐面與導管接觸區(qū)的摩擦系數(shù)為變化參數(shù)，得到摩擦系數(shù)在0~0.2之間兩個尺寸系列接頭錐面的接觸應力如圖8所示。摩擦系數(shù)越小，錐面的接觸應力越大，錐形小端的應力集中現(xiàn)象越明顯。經(jīng)潤滑處理摩擦系數(shù)為0.05時，第1尺寸系列密封面平均接觸應力為280 MPa，相對于未潤滑情況平均應力可提高12.9%左右。第2尺寸系列具有相同規(guī)律，油潤處理后平均接觸應力提高約12.4%。將平管嘴與導管看為整體，平管嘴受到的軸向緊固力與導管擴口面受到的法向壓力和切向摩擦力在軸向的分力之和相平衡。降低摩擦系數(shù)則減小切向摩擦力，進而增大了密封面的接觸應力，因此導管裝配過程中對密封面作油潤處理有利于提高其密封性能。

圖8 不同摩擦系數(shù)接頭錐面接觸壓力

2.2 接頭錐形小端倒圓角半徑的影響

航空行業(yè)標準規(guī)定管接頭錐形部分小端的倒角半徑為0.4 mm，公差為±0.2 mm。以錐形部分小端的倒角半徑為變化參數(shù)，得到兩種尺寸系列接頭錐面的接觸應力分布規(guī)律和局部放大，如圖9所示。倒角半徑對倒角區(qū)的接觸應力有較大影響，倒角半徑越大，錐形小端的接觸應力越大。增大倒角半徑，則減小了接頭密封區(qū)的寬度，接頭錐面對導管擠壓合力不變，則在倒角附近的接觸應力增大。對于第1尺寸系列，倒角半徑為0.6 mm時，接頭錐面小端的接觸應力峰值為588 MPa，對應區(qū)域?qū)Ч馨l(fā)生塑性變形，倒角半徑為0.2 mm時，導管和接頭密封區(qū)兩端的接觸應力峰值相近。在第2尺寸系列倒角半徑為0.5 mm和0.6 mm時，小端處接觸應力有增大趨勢，但應力值小于密封區(qū)的應力峰值。對于第1尺寸系列結(jié)構(gòu)，增大錐形小端倒角半徑有利于提高密封面接觸應力峰值，有利于在接頭小端處形成一道密封線，從而提高接頭密封性能。但增大倒角半徑同樣會減小密封區(qū)寬度。

圖9 不同倒角半徑接頭錐面接觸壓力

2.3 導管擴口角度的影響

擴口式管接頭外錐面角度為74°，本文仿真分析使用二維旋轉(zhuǎn)軸對稱模型，所以接頭錐面與軸線間角度為37°。對擴口角度進行探究，選取角度的變化范圍為66°~82°，得到兩種尺寸系列接頭錐面應力分布如圖10所示。從圖10（a）可以看出，對第1尺寸系列結(jié)構(gòu)，隨著接頭錐面和導管擴口角度增大，密封區(qū)兩端的接觸應力峰值逐漸減小。從圖10（b）可以看出第2尺寸系列導管擴口角度為78°和82°時，密封區(qū)兩端出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。統(tǒng)計兩種尺寸系列結(jié)構(gòu)錐面平均接觸應力，如圖11所示。圖中可見，第2尺寸系列的平均接觸應力高于第1尺寸系列，并且隨著導管擴口角度增大，錐面上的平均接觸應力逐漸減小。以密封面平均接觸應力為評價標準，適當降低導管和接頭錐面擴口角度，可以提高平均接觸應力，進而提高導管連接的密封性能。

圖10 不同擴口角度接頭錐面接觸壓力

圖11 兩尺寸系列錐面平均接觸應力

3 結(jié)論

本文對航空行業(yè)標準規(guī)定的擴口式導管連接結(jié)構(gòu)進行仿真分析，得到兩種尺寸系列結(jié)構(gòu)的等效應力，等效塑性應變以及接頭錐面接觸應力分布情況，并對擴口式連接結(jié)構(gòu)參數(shù)進行研究，得到以下結(jié)論：

（1）兩種尺寸系列結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)和擰緊力矩不同，使得接頭與導管密封面上的接觸應力分布規(guī)律不同。第1尺寸系列結(jié)構(gòu)在接頭接觸區(qū)兩端應力集中，密封區(qū)中部接觸應力在199 MPa~293 MPa范圍內(nèi)逐漸增大。第2尺寸系列結(jié)構(gòu)密封面的接觸應力兩端小中部大。第2尺寸系列結(jié)構(gòu)的峰值接觸應力和平均接觸應力均高于第1尺寸系列，且導管密封面部分區(qū)域進入塑性變形階段，有利于提高微觀表面的平整度。所以第2尺寸系列結(jié)構(gòu)的密封性能更好，能適用于更高的工作壓力環(huán)境。

（2）密封面的摩擦系數(shù)對面上接觸應力分布有影響，摩擦系數(shù)越小，密封面的接觸應力越大。在擴口導管裝配時，對接頭錐面和導管擴口端內(nèi)表面作油潤處理，密封面的平均接觸應力可提高12%以上，此舉有利于提高擴口導管連接密封性能。

（3）接頭錐形小端的倒角半徑對倒角區(qū)的接觸應力影響明顯，倒角半徑越大，接觸應力越大。倒角半徑為0.6 mm時，第1尺寸系列導管擴口端根部進入塑性變形階段，進而提高導管連接密封性能。但增大倒角半徑對第2尺寸系列的密封性能提升較小。

（4）探索導管擴口角度對連接結(jié)構(gòu)密封性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著擴口角度減小，密封面上的平均接觸應力逐漸增大，且密封區(qū)端部的應力也增大。工程應用中可以適當減小導管擴口角度，在相同擰緊力矩下加載可以獲得更高的密封面接觸應力，提高擴口導管連接的密封性能。