内压作用下飞机高压管路弯管处的应力分析研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 24 日 作者简介：原慧（1994），女，汉族，山西临汾人，硕士研究生，中航西飞民用飞机有限责任公司，助理工程师，研究方向为飞机结构强度设计。-18-内压作用下飞机高压管路弯管处的应力分析研究 原 慧 中航西飞民用飞机有限责任公司，陕西 西安 710089 摘要：摘要：飞机高压管路犹如飞机的血管，目前高压化是其发展趋势，在这种趋势下，对高压管路的应力情况进行研究非常重要。本文以某型飞机高压管路为研究对象，考虑内部压力载荷的作用，在直管应力计算方法的基础上推导出了弯管处的应力计算方法，并对管路弯管处的应力情况进行了理论计算和有限元仿真，验证了仿真方法的正确性，分析了弯管内壁曲率半径对弯管内外壁环向应力的影响。这对飞机高压管路的强度设计具有重要的指导意义。关键词：关键词：飞机高压管路；有限元仿真；应力分析 中图分类号：中图分类号：V245.1 0 引言 飞机上的高压管路系统形状各异，错综复杂，分布在飞机的各个部位，无论是在机头、机身还是机翼、机尾，都可以看到穿越其中的管路系统，堪称无处不在。飞机上的管路系统主要包括液压系统管路、动力装置管路、燃油系统管路、环控系统管路（如氧气管、空调管、引气管、水管）等。管路系统承担着压力传递、燃油输送等作用，用于飞机上液压油、燃油、润滑油、空气等介质的输送和能量传递。液压系统为飞机的各种操纵装置提供必要的动力和控制，引气系统的用途是从发动机或 APU 引气，对引气进行控制、调节和分配，为空调系统、除冰系统、水系统及惰化系统提供压缩空气，而管路就承担着输送和分配液压能源、运输气源的作用。在这种情况下，管路本身承受着高温高压的作用，在飞行过程中，还会受到其他载荷的约束作用。如果出现应力集中，可能会引起管路的变形，不仅影响管路系统的功能，还会给其他部位带来安全隐患，因此对高压管路进行应力研究具有重要的意义。目前，针对飞机高压管路进行的理论研究，多以应力补偿及结构优化为主。针对高压管路的强度分析，国内一些学者从不同的角度和侧重点进行了分析研究。权凌霄等研究了回油导管在机体变形和压力两种载荷耦合作用下的应力情况，提出了机体变形对于导管强度影响较小的结论1。史俊强等综合考虑了内部压力和机体变形载荷的作用，对某型飞机液压系统中的一段液压管路进行了应力数值计算、仿真分析和试验验证，通过三者的对比分析，验证了仿真分析方法的正确性2。夏颖等提出了应力补偿的新方法，研究分析了法兰和球形接头这两种补偿器对管路应力特性的影响。即法兰具有应力补偿能力，在管路弯管位置附近布置法兰，可以改变弯管处的刚度和柔性，因此能够减小管路的应力集中程度和位移变形。球形接头也具有应力补偿能力，能够有效进行位移和应力补偿，越靠近弯管处的球形接头应力补偿作用越大3。赵伟志等计算了液压导管在不同叠加载荷下的等效应力和安全裕度，在最大等效应力超出许用值的情况下，通过提高膨胀环的高度和角度，对管路的走向进行优化，以此可以有效降低管路的应力水平。另外，通过优化后的管路等效应力云图可以看出，最大等效应力出现在管路弯管位置处4。这些针对高压管路的理论研究中，都使用的是直管的应力计算方法针对整个管路的环向应力进行分析，并未单独考虑管路弯管处的环向应力。在有限元仿真计算中，大多都是使用 Patran 软件建立了管路的二维壳单元模型，对管路进行有限元分析。而对于庞大的管路系统，其结构设计中不可避免有很多弯管的存在。由于弯管处内外壁的环向应力存在区别，实际上直管的计算方法并不完全适用于弯管处的应力计算。因此，本文在典型的直管应力计算方法基础上推导出了弯管处的环向应力计算公式。并以某型飞机管路系统中的一段高压管路为研究对象，分析了其在内部压力载荷中国科技期刊数据库 工业 A-19-作用下的应力问题。对管路弯管处的应力情况进行了理论计算，分别建立了管路的一维梁单元模型和二维壳单元模型进行有限元仿真，将理论计算结果与有限元仿真结果进行对比分析，以此验证仿真方法的正确性。另外，还分析了弯管内壁曲率半径对弯管内外壁环向应力的影响。1 理论计算 按照相对壁厚、直径大小、压力大小、使用环境（如温度）以及用途（如不同系统）等，压力容器有不同的分类和划分方法。在飞机静强度设计工作中，一般将压力容器按照其厚度分为薄壁容器和厚壁容器，当（D 为外直径，d 为内直径）或壁厚与曲率半径之比时为薄壁，超过上述范围则为厚壁。本文研究的管路均为薄壁圆管。压力容器用于贮存增压液体或气体，常见形状为球形或圆柱形与某种形状端盖组合而成。压力容器受到内部或外部压力时，会在壳壁中产生应力，应力状态一般呈三维，在任一点有与经线平行作用的轴向应力，与周线平行作用的环向应力，以及径向应力，还可能有弯曲应力和剪切应力。由于薄壁压力容器的壁厚、形状、曲率都不具有突变性，其环向应力、轴向应力沿厚度均匀分布，弯曲应力和径向应力很小可以忽略不计。内压力作用下薄壁圆管应力分布如图 1 所示，由材料力学可知，均布内压力 q 作用下薄壁圆管的应力计算公式为：轴向应力：（1）环向应力：（2）其中，环向应力是轴向应力的 2 倍。式中，q 为单位面积上的均布内压力或外压力（MPa）；r 为圆管内半径（mm）；t 为圆管壁厚（mm）。图 1 内压力作用下薄壁圆管应力 在高压管路的设计中，弯管有着非常广泛的应用，弯管能够解决复杂布置的管路连接问题，提高管路系统的可靠性和安全性。另外，管路的最大应力也常出现在弯管处。而上述应力计算公式是基于平直管道推导出来的。理论分析认为，内压力作用下直管的轴向应力计算方法适用于弯管的轴向应力计算，但由于弯管的内外壁环向应力存在较大区别，直管的环向应力计算方法对于弯管并不是完全适用。因此，本文分别推导出了弯管内外壁环向应力的计算公式。图 2 弯管侧截面图 弯管纵截面环向应力分析图如图 2 所示。以图 2中圆环中心 O 为坐标原点建立直角坐标系 XOY。在管壁截面任取一小段管壁微元，角度为。在内压力 q 的作用下，内外管壁所受的载荷为（3）由此可以推导出弯管内外壁环向应力分别为（4）（5）式中，t 为管道壁厚（mm），q 为均布内压力（MPa），R 为弯管内壁曲率半径（mm），r 为管道内半径（mm）。2 仿真分析 2.1 三维模型 本文选取某型飞机引气系统中的其中一段管路模型作为研究对象，共包含四处弯管，弯管位置如图 32.11.1/dDk10/1/Rtqrm2tqrtddtrRqrFttRqrtqr2内trtRqrtqr22外中国科技期刊数据库 工业 A-20-所示。管路模型的材料参数如表 1 所示。图 3 弯管位置示意图 表 1 管路模型材料参数 材料 密度 t/m3 弹性模量MPa 泊松比 屈服强度 MPa 6061-6T 2.713 68258 0.33 241 2.2 有限元模型 首先对管路结构模型进行抽壳处理，建立管路的二维模型。使用壳单元对模型划分网格，并按照管路实际几何结构对有限元模型赋予材料属性。通过仿真软件中的 pressure 选项施加 10MPa 的压力载荷作用在管路内部。使用 MPC 约束的方式对管路的管夹处和接口处进行等效简化，并施加固定约束，约束所有方向的平动和转动自由度。管路的二维壳单元模型如图 4所示。图 4 管路的二维壳单元模型 提取管路几何模型的轴线，使用一维梁单元对模型划分网格，建立管路的一维有限元模型。依据管路结构的实际截面尺寸，对一维梁单元模型赋予材料属性。考虑将管路承受的内压力转化为对应截面处的圆心节点力，由此将载荷施加到管路的一维梁单元模型中，使用一维模型计算管路轴向应力。梁单元模型中节点处承受的载荷 F 由式子（6）计算，每一个节点都承受两侧的轴向力，将计算出的载荷依次施加到对应节点上，可得到每一节点处承受的合力。在管路接口处施加固定约束，约束所有方向的平动和转动自由度。管路的一维梁单元模型如图 5 所示。（6）图 5 管路的一维梁单元模型 2.3 仿真结果 二维壳单元模型应力计算结果如图 6 所示，最大环向应力为 197MPa，位于 4 号弯管内壁。余 6 管路二维壳单元模型最大环向应力 一维梁单元模型应力计算结果如图 7 所示，最大轴向压应力为 66.1MPa，位于 4 号弯管处。图 7 管路一维梁单元模型最大轴向压应力 3 结果对比 在高压管路二维壳单元模型中分别取出 4 处弯管位置处对应的内外壁环向应力值，与理论计算值进行对比，内外壁环向应力的理论计算值由公式（3）（4）计算，对比结果如表 2 所示。由表 2 可知，内外壁环向应力仿真值与理论值误差均在 10%以内，说明本研究给出的高压管路仿真计算方法是正确的。分别比较内外壁环向应力的有限元计算结果和理论计算值可以发现，无论是有限元计算结果还是理论计算结果，管路内壁环向应力值均大于外壁环向应力值。2rqF中国科技期刊数据库 工业 A-21-表 2 弯管环向应力对比结果 弯管位置 R 弯管内壁曲率半径 mm 有限元计算值 MPa 理论值 MPa 误差 内壁 外壁 内壁 外壁 内壁 外壁 1 39.55 155 106 158 103 1.9%2.9%2 37.98 165 104 159 102 3.8%2.0%3 42.44 150 110 156 104 3.8%5.8%4 12.74 197 91 190 86 3.7%5.8%分别绘制 4 处弯管位置的内外壁环向应力随弯管内壁曲率半径的变化趋势图，如图 8，图 9 所示。图 8为弯管内壁环向应力随内壁曲率半径变化情况，由图 6可知，弯管内壁曲率半径越小，内壁环向应力越大，内壁环向应力随弯管内壁曲率半径的增大而减小，也就是说，弯管越平缓，弯管内壁环向应力越小。图 9为弯管外壁环向应力随内壁曲率半径变化情况，由图 7可知，弯管内壁曲率半径越小，外壁环向应力越小，外壁环向应力随弯管内壁曲率半径的增大而增大，也就是说，弯管越平缓，弯管外壁环向应力越大。图 8 弯管内壁环向应力随内壁曲率半径变化情况 图 9 弯管外壁环向应力随内壁曲率半径变化情况 从高压管路一维梁单元模型中分别取出 4 处弯管位置的轴向应力，理论轴向应力值按照公式 1 进行计算，轴向应力的有限元计算结果与理论计算结果的对比如表 3 所示。由表 3 对比结果可知，弯管轴向应力的有限元计算结果与理论结果的误差在 5%以内，说明使用管路的一维梁单元模型将内压力转化为节点力进行仿真计算的方法是正确的。另外，弯管轴向应力的有限元结果与相同半径的直管的轴向应力理论值差距较小，说明管路的弯曲程度对其轴向应力影响不大，直管的轴向应力计算方法适用于弯管的轴向应力计算。表 3 弯管轴向应力对比结果 弯管位置 有限元计算结果 理论值 误差 1 60.6 63.5 4.6%2 60.85 63.5 4.2%3 62 63.5 2.4%4 66.1 63.5 4.1%4 结论 本研究从理论计算和仿真分析两个方面出发，首先推导出了弯管内外壁环向应力的理论计算方法，并对飞机高压管路弯管处的应力情况进行了研究。综合分析理论计算和仿真分析的结果可以得出以下结论：（1）高压管路承受的最大应力为环向应力，位于弯管处，弯管内壁环向应力均大于弯管外壁环向应力，且最大应力值均小于材料的屈服强度，结构设计满足使用要求。（2）高压管路应力仿真计算结果与理论值误差均小于 10%，说明了将管路简化为一维梁单元模型及二维壳单元模型进行仿真计算的正确性。（3）高压管路弯管处内外壁环向应力随弯管内壁曲率半径的变化情况呈相反趋势，内壁环向应力随弯管内壁曲率半径的增大而减小，外壁环向应力随弯管内壁曲率半径的增大而增大。也就是说，弯管角度越大越平缓，弯管内壁环向应力越小，弯管外壁环向应力越大；弯管角度越小越急促，弯管内壁环向应力越大，弯管外壁环向应力越小。（4）高压管路的弯曲程度对管路轴向应力影响不大，弯管的轴向应力计算与直管的轴向应力计算方法相同。5 展望 在高压管路的初步设计中，大多通过建立管路的中国科技期刊数据库 工业 A-22-二维有限元模型，以此来分析管路设计的可行性及合理性，此种方法建立的模型相对要复杂一些。本文提出将管路的内压力通过计算转换为管路截面圆心处的节点力，具有一定的创新型。同时，这种方法使用一维梁单元模型进行仿真，模型更为简单，计算效率更高。在后续工作中，可将此方法应用于高压管路或其他导管的初步设计工作中。基于梁单元模型建立高压管路的有限元模型，并将给定的管路设计内压力转换为对应截面圆心处的节点力，通过仿真计算得到管路的应力分布和位移变形情况。在此结果基础上，可以针对管路的初步设计方案进行管路的结构更改，或在管路的弯管等应力及变形较大的位置附近增加法兰或球形接头等补偿件，以此满足管路的初步设计要求。另外，本文推导出了高压管路弯管处内外壁环向应力的计算公式。在管路的初步结构设计方案确定之后，可以使用弯管的环向应力计算方法，分别计算弯管处内外壁的环向应力，以理论方法对管路结构设计强度进行初步评估。在此基础上，建立管路的二维壳单元模型，对管路的结构设计强度进行详细评估及结构参数优化。上述的高压管路设计流程整体比较完整，在初步设计工作中建立管路的一维有限元模型能够提高效率；使用本文推导出的弯管环向应力计算方法来计算管路的弯管处环向应力值，更为准确，对于高压管路结构优化具有更好的参考价值。在高压管路高压化、轻量化的发展趋势下，后续还需要寻求更为准确快捷的管路应力分析及优化方法，在满足高压管路安全性、可靠性的基础上，不断降低成本，提高效率。参考文献 1权凌霄,司梦贺,李涛.机体变形和压力冲击载荷下飞机液压导管强度分析J.液压与气动,2018(5):6.2史俊强,孟凯林,王卿,等.多载荷耦合作用下飞机液压管路应力分析J.液压与气动,2023,47(1):175-181.3夏颖,蒋彦龙,施红.大型客机空气导管应力分析及补偿研究J.计算机仿真,2016(10):6.4赵伟志,董强.民用飞机液压导管强度分析J.中国科技信息,2017(13):2.