管路優(yōu)化設(shè)計(jì)與疲勞壽命研究

王 毅,張 萌,衛(wèi) 強(qiáng),劉 艷,張 翼,李原良,孫 恒

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所, 北京 100076;2.河南航天液壓氣動(dòng)技術(shù)有限公司, 鄭州 450048)

0 引言

金屬軟管是現(xiàn)代工業(yè)管路中廣泛采用的一種柔性連接管道,具有質(zhì)量輕、柔性好、體積小、耐腐蝕、耐高低溫等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于石化、冶金、機(jī)車、船舶、航空航天、特種設(shè)備、城市供水及能源建筑等領(lǐng)域[1-2]。金屬軟管是由不銹鋼波紋管外編織一層或多層鋼絲或鋼帶網(wǎng)套的柔性管道元件,航天領(lǐng)域主要用在火箭的增壓、伺服供氣、艙段吹除、氣封等管系上,其作用是補(bǔ)償管路及其邊界的安裝偏差和工作變形。從結(jié)構(gòu)上分為單機(jī)和零件,前者是軟管兩端焊接了接管嘴或法蘭可以直接和所在管系連接;后者軟管兩端只有接頭,沒(méi)有接管嘴或法蘭,需要焊接到管系上。金屬軟管由鋼絲網(wǎng)套部分和兩端連接接頭焊接而成,其中網(wǎng)套又由金屬波紋管、接管、環(huán)、鋼絲網(wǎng)套焊接而成。

黃薪鋼等[3]針對(duì)金屬軟管在使用過(guò)程中發(fā)生泄漏的問(wèn)題進(jìn)行了失效原因分析,提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議和預(yù)防措施。王增等[4]分析得出了振動(dòng)載荷是導(dǎo)致波紋管疲勞失效的主要原因。韓淑潔等[5]采用 ANSYS 對(duì)金屬軟管的軸向拉伸和壓縮進(jìn)行了仿真計(jì)算;楊義俊[6]采用ANSYS對(duì)金屬軟管進(jìn)行內(nèi)壓和軸向位移載荷下的應(yīng)力分析;甘士闖[7]采用 ANSYS對(duì)金屬軟管進(jìn)行多種工況下的應(yīng)力分析。倪洪啟等[8]利用試驗(yàn)法和有限元法相結(jié)合的方式對(duì)加裝網(wǎng)套的波紋金屬軟管進(jìn)行疲勞壽命分析預(yù)測(cè),為軟管的疲勞設(shè)計(jì)提供參考。賈鐸等[9]對(duì)金屬軟管運(yùn)用有限元求解變形后的路徑形狀的計(jì)算方法對(duì)金屬軟管的長(zhǎng)度和補(bǔ)償工作條件下的曲率半徑進(jìn)行了分析,得到金屬軟管的管形變化可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)位移補(bǔ)償要求。趙劍等[10]研究了承壓狀態(tài)下編織網(wǎng)套對(duì)金屬軟管的增強(qiáng)機(jī)理及相互作用模式,給出了基于有限元解定量評(píng)估網(wǎng)套增強(qiáng)能力及校核網(wǎng)套強(qiáng)度的理論分析方法。此外金屬軟管結(jié)構(gòu)的焊接接頭薄弱部位的分析可從裂紋長(zhǎng)度、材料性質(zhì)及外部載荷等多個(gè)方面開(kāi)展工作,目前主要采用有限單元法(FEM)、擴(kuò)展有限單元法(XFEM)、邊界單元法(BEM)、無(wú)網(wǎng)格法和SBFEM[11-14]等開(kāi)展分析。

綜上所述,一些研究人員對(duì)網(wǎng)套波紋金屬軟管進(jìn)行了研究并對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,取得了一定的成果。基于低溫管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)需求,本文中設(shè)計(jì)了能夠滿足補(bǔ)償量要求的金屬軟管,通過(guò)獲得了金屬軟管的性能作為仿真輸入的參數(shù),管路內(nèi)部流體采用液態(tài)聲學(xué)單元模擬,開(kāi)展硬管結(jié)構(gòu)和金屬軟管結(jié)構(gòu)2種管路的仿真分析,并且利用有限元仿真分析和試驗(yàn)結(jié)合的方式對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的金屬軟管管路進(jìn)行振動(dòng)疲勞壽命預(yù)測(cè),為后續(xù)管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考

1 低溫管路結(jié)構(gòu)特征

某低溫管路主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)冷及回流工作,更改前為純硬管結(jié)構(gòu)直接連接發(fā)動(dòng)機(jī)和貯箱,管材為1Cr18Ni9Ti,管路通徑為Φ52*1 mm,由于金屬軟管具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗疲勞和柔性好等優(yōu)點(diǎn),本次優(yōu)化設(shè)計(jì)利用金屬軟管替代原管路中部分直邊段硬管,更改后為金屬軟管結(jié)構(gòu)管路能夠適應(yīng)更大的變形,2種管路結(jié)構(gòu)的三維模型及結(jié)構(gòu)尺寸如圖1和圖2所示。

圖2 某低溫管路軟管結(jié)構(gòu)形式及尺寸

2 振動(dòng)疲勞理論

2.1 振動(dòng)理論

管路在工作過(guò)程中要承受內(nèi)壓、高低溫、位移、振動(dòng)等載荷,在研制過(guò)程中要進(jìn)行正弦掃頻、定頻振動(dòng)及隨機(jī)振動(dòng)力學(xué)環(huán)境考核試驗(yàn),邊界條件復(fù)雜,其可能的失效形式包括強(qiáng)度破壞和疲勞破壞[15-16]。在系統(tǒng)產(chǎn)品組件試驗(yàn)中曾多次發(fā)生結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞破壞的現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)的振動(dòng)疲勞一般屬于應(yīng)力疲勞,疲勞的壽命分析一般結(jié)合材料的S-N曲線選擇合適的疲勞損傷模型進(jìn)行[17]。由振動(dòng)理論可知,管路振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)微分方程如式(1)所示。

(1)

式(1)中:[M]為管路整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣;[C]為管路結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣;[K]為管路結(jié)構(gòu)的剛度矩陣; {F(t)}為管路整體結(jié)構(gòu)的激勵(lì)載荷;{χ}為管路結(jié)構(gòu)的振幅。

2.2 疲勞累計(jì)損傷理論

針對(duì)處于振動(dòng)幅度相等載荷的振動(dòng)環(huán)境下,可直接由材料的S-N曲線估算出結(jié)構(gòu)所承受載荷下的疲勞壽命。管路主要承受正弦掃頻、定頻、隨機(jī)振動(dòng)等多種載荷環(huán)境,無(wú)法通過(guò)材料的S-N曲線預(yù)測(cè)壽命,只能依靠Miner線性疲勞累計(jì)損傷理論進(jìn)行分析。在實(shí)際工程中,Miner線性疲勞累積損傷理論得到廣泛運(yùn)用,即認(rèn)為在多級(jí)應(yīng)力幅值加載條件下,不同時(shí)刻的應(yīng)力幅值之間彼此獨(dú)立、互不相干,其所造成的疲勞損傷可進(jìn)行線性疊加,當(dāng)該疊加值增至臨界值時(shí),結(jié)構(gòu)將發(fā)生疲勞破壞[18]。結(jié)構(gòu)在多級(jí)載荷循環(huán)作用下的疲勞損傷度D可根據(jù)載荷循環(huán)次數(shù)n和對(duì)應(yīng)應(yīng)力水平下的疲勞壽命N按照式(2)計(jì)算。

(2)

式(2)中:k為應(yīng)力水平級(jí)數(shù);ni為第i級(jí)應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù);Ni為第i級(jí)水平應(yīng)力下的疲勞壽命。

3 有限元仿真模型

3.1 材料及參數(shù)

管路硬管段、活套法蘭、金屬軟管接頭、鋼絲網(wǎng)套均由1Cr18Ni9Ti組成,密度為7.90×103kg/m3,泊松比為0.29,其他材料力學(xué)性能見(jiàn)表1所示,金屬軟管的等效剛度見(jiàn)表2。

表1 材料力學(xué)性能

表2 金屬軟管等效剛度

3.2 有限元模型

對(duì)硬管結(jié)構(gòu)的低溫管路直接進(jìn)行簡(jiǎn)化,兩端活套法蘭只保留法蘭部分,兩端法蘭和管路部分均設(shè)置為實(shí)體模型。對(duì)帶金屬軟管結(jié)構(gòu)的低溫管路進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,法蘭部分簡(jiǎn)化同硬管結(jié)構(gòu),管路部分簡(jiǎn)化為殼模型;金屬軟管為真實(shí)模擬材料參數(shù),保留兩端接頭后簡(jiǎn)化為4段連接單元(Cartesien+Cardan),試驗(yàn)測(cè)得軟管的性能參數(shù)作為輸入,其各向剛度設(shè)置表2中參數(shù);軟管結(jié)構(gòu)重量和內(nèi)部液氮重量分散施加在5個(gè)節(jié)點(diǎn)上;管路內(nèi)部流體建立實(shí)體模型,采用液氧聲學(xué)單元模擬。2種結(jié)構(gòu)管路模型中實(shí)體連接部位均按Tie連接處理,實(shí)體與殼單元連接采用Shell-to-solid-coupling連接處理,簡(jiǎn)化后管路有限元模型見(jiàn)圖3所示。

圖3 低溫管路有限元模型

3.3 載荷條件

為模擬真實(shí)溫度載荷變化,初始溫度設(shè)定為293 K,施加邊界位移后模型施加80 K的低溫載荷模擬真實(shí)工況,管路內(nèi)的工作壓力2.4 MPa(表壓),同時(shí)在管路硬管長(zhǎng)的一端法蘭施加固定約束,硬管短的一端施加位移邊界條件,管路移動(dòng)端位移邊界如表3所示,鑒定隨機(jī)振動(dòng)條件如表4所示,振動(dòng)試驗(yàn)方向?yàn)閄、Y、Z三個(gè)方向。

表3 振動(dòng)試驗(yàn)管路移動(dòng)端邊界條件

表4 高頻段隨機(jī)振動(dòng)鑒定試驗(yàn)條件

4 結(jié)果與分析

有限元仿真分析為2步:第1步為ABAQUS振動(dòng)響應(yīng)分析,第2步為Ncode疲勞壽命分析。對(duì)硬管結(jié)構(gòu)和金屬軟管結(jié)構(gòu)的2種管路分別開(kāi)展靜力分析、模態(tài)分析、疲勞壽命分析,得到仿真分析結(jié)果如下。

4.1 靜力結(jié)果分析

對(duì)2種結(jié)構(gòu)管路分別施加溫度、內(nèi)壓、位移條件等邊界,利用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析,得到靜力分析結(jié)果包括靜載位移、靜應(yīng)力和塑性應(yīng)變結(jié)果如圖4—圖6所示。

圖4 管路靜載位移分布云圖

圖5 管路靜應(yīng)力分布云圖

圖6 管路塑性應(yīng)變分布云圖

硬管結(jié)構(gòu)的位移變化最大部位處于管路加載端的彎管區(qū)域,最大值為35.56 mm,金屬軟管位移變化最大部位位于加載端,最大值為26.36 mm;硬管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化最大部位位于加載端,最大應(yīng)力為500.1 MPa,彎管部位的應(yīng)力也較大,大小為465.7 MPa,金屬軟管靜應(yīng)力最大位置位于管路硬管長(zhǎng)的一端法蘭與管子焊接部位,最大靜應(yīng)力為576.4 MPa,此時(shí),金屬軟管結(jié)構(gòu)的管路部分地方已進(jìn)入屈服區(qū)間。

4.2 模態(tài)結(jié)果分析

對(duì)充分考慮仿真模擬的真實(shí)性,內(nèi)部液體采用聲學(xué)單元模擬其質(zhì)量屬性,有限元模態(tài)分析得到硬管結(jié)構(gòu)和金屬軟管結(jié)構(gòu)前14階的模態(tài)固有頻率曲線如圖7所示。工程上一般取前四階的模態(tài)結(jié)果作為參考,本次給出管路2種結(jié)構(gòu)各階固有頻率及模態(tài)振型如圖8所示,硬管結(jié)構(gòu)由于剛度較大,因此各階頻率相較于軟管結(jié)構(gòu)高很多,金屬軟管機(jī)構(gòu)的前四階模態(tài)固有頻率基本在50 Hz以內(nèi)。

圖7 2種結(jié)構(gòu)各階模態(tài)對(duì)比曲線

圖8 管路各階振動(dòng)模態(tài)與頻率

4.3 振動(dòng)疲勞結(jié)果分析

通開(kāi)展管路在鑒定量級(jí)隨機(jī)振動(dòng)載荷作用下的均方根應(yīng)力和損傷DL值進(jìn)行分析,2種結(jié)構(gòu)的均方根應(yīng)力云圖及損傷DL值云圖如圖9和圖10所示。

圖9 硬管結(jié)構(gòu)管路疲勞結(jié)果分析

圖10 金屬軟管結(jié)構(gòu)管路疲勞結(jié)果分析

從圖9可以看出硬管結(jié)構(gòu)管路隨機(jī)振動(dòng)載荷下的動(dòng)應(yīng)力最大均方根值為32.08 MPa,動(dòng)強(qiáng)度疲勞壽命DL值為2.471E-9。動(dòng)應(yīng)力最大危險(xiǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力功率譜為96.329 Hz,對(duì)應(yīng)模態(tài)第2階振動(dòng)為彎曲振動(dòng),振幅最大位置位于管路中間直邊段。

從圖10可以看出金屬軟管結(jié)構(gòu)管路隨機(jī)振動(dòng)載荷下的動(dòng)應(yīng)力最大均方根值為90.05 MPa,動(dòng)強(qiáng)度疲勞壽命DL值為0.001 324,疲勞壽命能夠滿足要求。從動(dòng)應(yīng)力最大危險(xiǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力功率譜可以看出危險(xiǎn)點(diǎn)頻率分別為105.05、168.54、314.01 Hz,對(duì)應(yīng)模態(tài)分析結(jié)果的第9、11、13階,第9、11階對(duì)應(yīng)的振幅最大位置為短硬管端接頭與金屬軟管的鋼絲網(wǎng)套焊接部位,第13階對(duì)應(yīng)的振幅最大位置為金屬軟管中間部位。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)上述仿真分析可知金屬軟管的靜強(qiáng)度低于硬管結(jié)構(gòu),但能夠滿足強(qiáng)度使用要求,金屬軟管結(jié)構(gòu)由于補(bǔ)償作用明顯能夠減少管路的變形;金屬軟管結(jié)構(gòu)的最大動(dòng)應(yīng)力大于硬管結(jié)構(gòu),疲勞壽命相較硬管結(jié)構(gòu)變小,但是金屬軟管結(jié)構(gòu)的DL值為0.001 324<<0.1,足以滿足疲勞壽命的要求,因此,針對(duì)改進(jìn)替換后的金屬軟管結(jié)構(gòu)管路開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證。

振動(dòng)試驗(yàn)時(shí),管路通過(guò)專用振動(dòng)試驗(yàn)工裝固定于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上,振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)輸出振動(dòng)載荷,對(duì)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上的試驗(yàn)件施加符合試驗(yàn)條件的振動(dòng)環(huán)境;低溫內(nèi)壓環(huán)境通過(guò)液氮加壓系統(tǒng)對(duì)管路加注液氮實(shí)現(xiàn);管路位移通過(guò)在安裝試驗(yàn)件移動(dòng)試驗(yàn)工裝予以施加。再通過(guò)加速度傳感器、應(yīng)變片、熱電偶、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等儀器設(shè)備獲取試驗(yàn)件關(guān)鍵部位的響應(yīng),試驗(yàn)系統(tǒng)搭建如圖11所示,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)安裝。

試驗(yàn)前在管路上粘貼應(yīng)變片實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變變化,并在管路和工裝上粘貼加速度測(cè)點(diǎn)用來(lái)測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程振動(dòng)傳遞效果,依據(jù)測(cè)量結(jié)果可知,試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)變測(cè)量最大值為1 555 με,換算得到動(dòng)應(yīng)力最大值為317.53 MPa,位置為管路直邊段短的一端法蘭和管路焊接部位。試驗(yàn)測(cè)得動(dòng)應(yīng)力結(jié)果偏大的原因可能是由于振動(dòng)工裝的轉(zhuǎn)接剛度不足造成振動(dòng)響應(yīng)放大,另外管路外表面絕熱層對(duì)結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定影響。

對(duì)比仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)金屬軟管結(jié)構(gòu)的管路振動(dòng)疲勞壽命的薄弱環(huán)節(jié)均位于管路直邊段短的一端法蘭和管路焊接部位,說(shuō)明此處在焊接過(guò)程應(yīng)控制好質(zhì)量,避免出現(xiàn)缺陷影響疲勞壽命。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)接頭部位。

6 結(jié)論

本文中以某型低溫管路為研究對(duì)象,開(kāi)展了管路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),并利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行靜強(qiáng)度分析和模態(tài)分析,用Ncode軟件計(jì)算動(dòng)應(yīng)力和疲勞壽命,并針對(duì)金屬軟管結(jié)構(gòu)管路開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證,得到的主要結(jié)論為:

1) 同等載荷條件下,硬管結(jié)構(gòu)和金屬軟管結(jié)構(gòu)部分管路均進(jìn)入了屈服區(qū)間,塑性應(yīng)變值均在2%以內(nèi),由于金屬軟管的補(bǔ)償能力強(qiáng),軟管管路相同部位的變形量明顯小于硬管結(jié)構(gòu),管路結(jié)構(gòu)在靜載下能夠滿足使用要求。

2) 前四階模態(tài)分析結(jié)果可知硬管結(jié)構(gòu)各階頻率相較于軟管結(jié)構(gòu)高很多,振幅較大位置均位于管路中間的硬管部分或金屬軟管部分。

3) 金屬軟管結(jié)構(gòu)的疲勞壽命低于硬管結(jié)構(gòu),但是金屬軟管結(jié)構(gòu)在鑒定激勵(lì)條件下的疲勞損傷DL值<0.1能夠滿足使用要求。

4) 優(yōu)化設(shè)計(jì)的金屬軟管結(jié)構(gòu)管路靜強(qiáng)度和疲勞壽命均能夠滿足使用工況要求,并且其金屬軟管具有較大的補(bǔ)償量,在管路安裝過(guò)程具有良好的適應(yīng)性。