民用飛機(jī)管路件彎曲工藝分析

◎周原冰

一、概述

應(yīng)用在民用飛機(jī)中的管路件也同時(shí)擁有很多用處，比如在燃油、液壓、電氣等領(lǐng)域的應(yīng)用。而管路件在這些領(lǐng)域的應(yīng)用的效率以及安全性都與管路的連接方式以及連接屬性有關(guān)。而這就與管路件的加工手段有很大的關(guān)系，在管材加工時(shí)，管材彎曲是一種常見的加工形式。在之前，管材彎曲加工首先要對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行選擇，這時(shí)的選擇方式也比較傳統(tǒng)。現(xiàn)如今科技逐漸發(fā)達(dá)，數(shù)字化制造技術(shù)也逐漸應(yīng)用到管材彎曲加工中來，逐漸取代了傳統(tǒng)加工方式，即節(jié)省了人力物力，又減少了資源損耗，同時(shí)高效且精準(zhǔn)度高。近幾年我國的數(shù)字化制造技術(shù)也逐步成熟，這種技術(shù)也開始廣泛的應(yīng)用在飛機(jī)制造中。本文采用有限元數(shù)值模擬法分析了民用飛機(jī)導(dǎo)管彎曲的工藝，為人們今后對(duì)此方面的研究提供了理論和借鑒。

二、導(dǎo)管彎曲工藝分析

導(dǎo)管彎曲的整個(gè)過程是一個(gè)十分復(fù)雜的物理過程，其整個(gè)過程也包含了許多經(jīng)典的物理力學(xué)問題，例如：（1）幾何非線性：就是導(dǎo)管在整個(gè)過程中的較明顯移動(dòng)、變化；物理非線性，即材料非線性；（2）邊界非線性：也就是在工件邊緣與成型工具所產(chǎn)生的物理相對(duì)位移，例如摩擦。在運(yùn)用有限元法時(shí)可以將導(dǎo)管成型的整個(gè)過程用計(jì)算機(jī)模擬出來，更加直觀精確，即還原了整個(gè)過程，更加清楚明晰，也能對(duì)導(dǎo)管成型過程中的走勢(shì)和缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)。

在對(duì)金屬導(dǎo)管進(jìn)行彎曲時(shí)，導(dǎo)管受到外力產(chǎn)生變化產(chǎn)生彎曲時(shí)，外側(cè)的導(dǎo)管壁是逐漸變薄的，如果彎曲角度過大，也就容易發(fā)生折斷，這也就需要在彎曲過程中設(shè)置一個(gè)合理的參數(shù)以達(dá)到一個(gè)合理的彎曲角度，防止管壁破裂。

由于外側(cè)管壁易破裂，因此設(shè)置合理彎曲角度尤為重要，我們把管壁減薄率是表述為導(dǎo)管破裂現(xiàn)象的重要指標(biāo)。由于導(dǎo)管應(yīng)用領(lǐng)域不一樣，所以管壁減薄率也不盡相同。如果該設(shè)備的導(dǎo)管需要承受很高的壓力，則對(duì)該指標(biāo)的要求就會(huì)高一些，如果只需承受低壓，那么要求也就低一些。對(duì)于航空系統(tǒng)來說，管壁彎曲工藝要求就稍微嚴(yán)格。航空制造工程手冊(cè)規(guī)定[1]：對(duì)于低壓導(dǎo)管，管壁減薄率不得大于導(dǎo)管公稱厚度的25%；對(duì)于高壓導(dǎo)管，管壁減薄率不得大于導(dǎo)管公稱厚度的20%。總結(jié)之前關(guān)于導(dǎo)管彎曲的各種實(shí)驗(yàn)，結(jié)論表明：導(dǎo)管彎曲過程中，為了安全精準(zhǔn)防破裂考慮，彎曲半徑和角度是兩個(gè)最為重要的影響元素。本文將應(yīng)用有限元法模擬彎曲過程，來分析這兩個(gè)因素對(duì)管壁減薄率的影響，得出結(jié)論。

三、導(dǎo)管彎曲的有限元模型建立

數(shù)字控制管件彎曲首先要把導(dǎo)管安裝在數(shù)控彎管機(jī)上，如圖1所示，整個(gè)數(shù)控彎管機(jī)由壓塊、防皺塊、芯棒、夾塊、彎曲模、芯球這些結(jié)構(gòu)組成，在數(shù)控彎管機(jī)啟動(dòng)之后導(dǎo)管開始隨著彎管機(jī)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)到壓塊時(shí)，就會(huì)被壓塊將其纏在彎曲模上。本文應(yīng)用了商用有限元軟件ETA/dynaform5.7.1中的RotaryBending模塊對(duì)此彎曲過程進(jìn)行了模擬，得出圖1模型。再將該模型輸入到LS-DYNA測(cè)算，最后將其導(dǎo)入到ETA/Post18.0軟件里輸出結(jié)果。本模型采用的Ti-3Al-2.5V導(dǎo)管管徑為12.7mm，壁厚為0.66mm。

圖1 有限元模型圖

四、導(dǎo)管彎曲的數(shù)值模擬結(jié)果分析

1.導(dǎo)管彎曲過程的受力狀態(tài)分析。

管路件彎曲是導(dǎo)管某一部分逐漸彎曲的，在其彎曲切線的附近發(fā)生形變；由圖1所示，導(dǎo)管的彎曲是受到數(shù)控彎管機(jī)內(nèi)各種結(jié)構(gòu)的相互協(xié)調(diào)和配合，以達(dá)到我們?cè)O(shè)置參數(shù)所能達(dá)到的形變。

由于數(shù)控彎曲成形過程存在眾多影響因素并且大口徑小彎曲半徑薄壁管件彎曲成形非常容易發(fā)生失穩(wěn)起皺等缺陷，本文提出了一個(gè)虛擬調(diào)模方案，即按照缺陷的破壞性并考慮成形參數(shù)的主次逐步確定成形參數(shù)。具體來講，就是給定彎管材料、相對(duì)管徑和彎曲半徑，結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)按照參考公式，給出模具參數(shù)，尤其是給出芯模參數(shù)；然后對(duì)有限元進(jìn)行初算，對(duì)照實(shí)驗(yàn)中無皺彎管件的條件，這樣有限元結(jié)果則不產(chǎn)生失穩(wěn)起皺；進(jìn)而以應(yīng)變、壁厚變化和截面畸變?yōu)閷?duì)象對(duì)比實(shí)驗(yàn)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行模擬，以及對(duì)有限元模擬結(jié)果進(jìn)行有效性評(píng)估，并修正有限元模型參數(shù)，修正的依據(jù)為塑性彎曲變形理論，包括有限元本身的控制參數(shù)和數(shù)控彎管成形參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)精確建模。其中，控制參數(shù)包括質(zhì)量放大因子、速度放大因子、單元類型以及網(wǎng)格劃分密度等；成形參數(shù)不僅需考慮具體值的選取，還要將其在有限元中的合理建模考慮在內(nèi)。如必須根據(jù)管材類型建立合理材料本構(gòu)模型并正確實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模具動(dòng)態(tài)加載或邊界條件的施加（包括摩擦模型）。

2.導(dǎo)管彎曲過程的壁厚變化分析。

管壁減薄率對(duì)于導(dǎo)管彎曲過程中的破裂是一個(gè)重要指標(biāo)，所以分析影響管壁減薄率的因素是研究導(dǎo)管彎曲過程中導(dǎo)管破裂的重要前提。那么影響管壁減薄率的因素有哪些呢？?jī)蓚€(gè)最為重要的影響因素是導(dǎo)管的彎曲角度及半徑，我們可以控制其中一個(gè)數(shù)值，觀察另外一個(gè)因素對(duì)管壁減薄率的影響，分別對(duì)二者進(jìn)行固定分析，這樣就能發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)參數(shù)對(duì)管壁減薄率的影響規(guī)律。

管壁減薄率是由彎曲半徑和彎曲角度共同影響的。固定了導(dǎo)管的彎曲角度，彎曲的半徑越大，管壁減薄率就越小，反之亦然。所以在彎曲角度足夠小的情況下，應(yīng)該優(yōu)先選擇較小的半徑，這樣可以節(jié)約導(dǎo)管所占的空間；還有一種情況，就是當(dāng)彎曲半徑固定，導(dǎo)管的管壁減薄率會(huì)達(dá)到一個(gè)臨界值，此時(shí)彎曲角度如果達(dá)到這個(gè)臨界值，管壁減薄率就達(dá)到了最大值，這時(shí)我們就不需要再考慮導(dǎo)管是否會(huì)破裂，我們此時(shí)需要考慮的，就是其他方面的缺點(diǎn)了。

五、結(jié)論

想要改善導(dǎo)管路件加工的質(zhì)量管路件加工的質(zhì)量，關(guān)鍵是如何選擇加工參數(shù)，如彎曲角度極半徑，另一個(gè)關(guān)鍵就是對(duì)整個(gè)加工過程的控制。現(xiàn)如今計(jì)算機(jī)科技發(fā)展迅猛，應(yīng)用有限元法進(jìn)行數(shù)字模擬來優(yōu)化管路件彎曲的加工過程已經(jīng)成為了很好的辦法。本文通過有限元數(shù)字模擬法來模擬管路件彎曲的過程，可以使導(dǎo)管彎曲過程更加直觀化，根據(jù)不斷地模擬實(shí)驗(yàn)，更加容易發(fā)現(xiàn)其規(guī)律。從而達(dá)到節(jié)約能源及人力，從而提高民用飛機(jī)管路件彎曲工藝的效率。