航空擴(kuò)口導(dǎo)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(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031；2.成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610091）

引言

航空導(dǎo)管主要應(yīng)用于飛機(jī)液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等，是飛機(jī)上氣體和液體運(yùn)輸?shù)闹饕d體［1］。航空導(dǎo)管在連接處常出現(xiàn)滲漏問題甚至破壞［2］，任意一根導(dǎo)管的損壞都可能造成重大事故［3］。航空導(dǎo)管的連接形式主要包含擴(kuò)口式連接、法蘭連接和記憶合金連接等，其中擴(kuò)口式連接是現(xiàn)役飛機(jī)液壓系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的連接方式［4］。航空擴(kuò)口導(dǎo)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(dǎo)管擴(kuò)口端，形成導(dǎo)管與接頭間的面密封。

圖1 擴(kuò)口式直通管連接方式

國內(nèi)外專家學(xué)者對航空導(dǎo)管連接結(jié)構(gòu)和密封性研究主要集中在理論推導(dǎo)、試驗(yàn)驗(yàn)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(jī)理分析，推導(dǎo)出計(jì)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(dǎo)出模型的滲漏率公式。熊影輝［7］對擴(kuò)口管接頭進(jìn)行力學(xué)分析，推導(dǎo)出擰緊過程拉扭關(guān)系公式。試驗(yàn)研究方面，時偉［8］針對飛機(jī)導(dǎo)管及連接件研制出旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)。張凌云［9-10］對航空導(dǎo)管接頭進(jìn)行了隨機(jī)振動試驗(yàn)和彎曲疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋由導(dǎo)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(jìn)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(shí)粗糙表面，相對光滑表面模型可以更準(zhǔn)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(kuò)口導(dǎo)管接頭處的密封性能影響，以密封面寬度作為評價指標(biāo)得到最佳安裝力矩。於為剛［14］建立三維模型研究了裝配應(yīng)力對管道密封特性的影響規(guī)律，認(rèn)為擴(kuò)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(kuò)口式管接頭結(jié)構(gòu)仿真分析，以接觸應(yīng)力分布為評價指標(biāo)，研究擰緊力矩對密封性能影響。航空工業(yè)集團(tuán)對航空導(dǎo)管及連接件的選材、尺寸和連接規(guī)范制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，但沒有對規(guī)范的依據(jù)進(jìn)行闡述。航空擴(kuò)口管接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)會影響導(dǎo)管連接的密封性能，因此導(dǎo)管與接頭錐面的接觸狀態(tài)成為研究的重點(diǎn)問題，目前針對航標(biāo)中的兩種尺寸系列結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究較少?；诖耍疚氖褂梅抡孳浖嗀BAQUS，研究擴(kuò)口導(dǎo)管及連接件結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封面接觸應(yīng)力的影響，為航空導(dǎo)管密封性能優(yōu)化提供理論參考。

1 擴(kuò)口導(dǎo)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(dǎo)管的工作壓力逐漸提高，更高的工作壓力對飛機(jī)性能提升和重量優(yōu)化都有很大的作用［16］。航標(biāo)根據(jù)導(dǎo)管不同的公稱尺寸［17］認(rèn)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(dǎo)管的假定直徑作為公稱尺寸，第2尺寸系列使用導(dǎo)管的公稱外徑作為公稱尺寸。兩種尺寸系列對擴(kuò)口導(dǎo)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(kuò)口導(dǎo)管連接模型建立

本文研究對象是尺寸為Φ10 mm×1 mm航空擴(kuò)口導(dǎo)管連接結(jié)構(gòu)。由于擴(kuò)口導(dǎo)管連接結(jié)構(gòu)的對稱性，對仿真模型進(jìn)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(shí)體模型可以降低計(jì)算成本，便于劃分更精細(xì)的網(wǎng)格以提高計(jì)算精度。模型包含擴(kuò)口導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)［18-20］規(guī)定。對導(dǎo)管及連接件材料進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，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(yīng)的計(jì)算模型。

表1 材料參數(shù)

航空擴(kuò)口導(dǎo)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(xiàn)［21］，對外套螺母進(jìn)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(guān)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(guān)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(guān)系為：

查閱機(jī)械資料，無潤滑情況下鋼材間的摩擦系數(shù)為0.15。航標(biāo)HB4-1-2002［22］對擴(kuò)口導(dǎo)管連接擰緊力矩進(jìn)行了規(guī)范（表2）。選取擰緊力矩中間值進(jìn)行分析，計(jì)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(qiáng)為212 MPa，第2尺寸系列端面施加壓強(qiáng)為307 MPa。

表2 外套螺母擰緊力矩規(guī)范

模型中導(dǎo)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(rèn)為硬接觸，切向行為選擇罰函數(shù)。對接頭、導(dǎo)管和平管嘴3個部件進(jìn)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(xì)化，接觸區(qū)域的單元尺寸為0.05 mm，且細(xì)長比為1。網(wǎng)格單元類型以四節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料內(nèi)一點(diǎn)的形狀改變能密度達(dá)到材料拉伸試驗(yàn)的極限值，該點(diǎn)就會發(fā)生塑性屈服，強(qiáng)度計(jì)算時一般采用第四強(qiáng)度理論。兩種尺寸系列擴(kuò)口導(dǎo)管連接結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力分布如圖4所示，兩種尺寸系列模型應(yīng)力分布趨勢一致，在導(dǎo)管擴(kuò)口端、接頭錐形小端和平管嘴內(nèi)錐面存在高應(yīng)力區(qū)。兩個模型的平管嘴與導(dǎo)管擴(kuò)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(dǎo)管的擠壓力更加均勻，第2尺寸導(dǎo)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(yīng)力達(dá)到1532 MPa。

圖4 擴(kuò)口式連接應(yīng)力云圖

以圖4（a）中錐面上a點(diǎn)到b點(diǎn)為觀測路徑，獲得第1尺寸系列接頭錐面的接觸應(yīng)力分布情況，如圖5所示。同樣地，以圖4（b）中錐面對應(yīng)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(yīng)力分布，如圖6所示。

圖5 第1尺寸系列錐面接觸應(yīng)力

圖6 第2尺寸系列錐面接觸應(yīng)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(yīng)力值介于199 MPa~293 MPa間，平均接觸應(yīng)力為246 MPa。接觸區(qū)兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，接頭錐面小端的接觸應(yīng)力峰值達(dá)到461 MPa，未達(dá)到導(dǎo)管材料的屈服強(qiáng)度，且較高的接觸應(yīng)力有利于導(dǎo)管密封。從圖6可以看出，第2尺寸系列接頭錐面與導(dǎo)管接觸區(qū)域的應(yīng)力分布情況為兩端小中間大，最大接觸應(yīng)力位置為距接頭大端3.3 mm處，接觸應(yīng)力峰值為489 MPa。密封面上接觸應(yīng)力超過300 MPa的寬度達(dá)到1.6 mm，滿足航標(biāo)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(dǎo)管擴(kuò)口端部發(fā)生塑性變形，等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D7所示，塑性變形發(fā)生在接頭和導(dǎo)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(dǎo)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(bǔ)，降低表面粗糙度，進(jìn)而提高導(dǎo)管的密封性能。

圖7 第2尺寸系列等效塑性應(yīng)變云圖

2 連接結(jié)構(gòu)參數(shù)對接觸應(yīng)力影響

2.1 接頭與導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)力如圖8所示。摩擦系數(shù)越小，錐面的接觸應(yīng)力越大，錐形小端的應(yīng)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(yīng)力為280 MPa，相對于未潤滑情況平均應(yīng)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(yīng)力提高約12.4%。將平管嘴與導(dǎo)管看為整體，平管嘴受到的軸向緊固力與導(dǎo)管擴(kuò)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(jìn)而增大了密封面的接觸應(yīng)力，因此導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)力有較大影響，倒角半徑越大，錐形小端的接觸應(yīng)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(dǎo)管擠壓合力不變，則在倒角附近的接觸應(yīng)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(yīng)力峰值為588 MPa，對應(yīng)區(qū)域?qū)Ч馨l(fā)生塑性變形，倒角半徑為0.2 mm時，導(dǎo)管和接頭密封區(qū)兩端的接觸應(yīng)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(yīng)力有增大趨勢，但應(yīng)力值小于密封區(qū)的應(yīng)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(yīng)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(dǎo)管擴(kuò)口角度的影響

擴(kuò)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(kuò)口角度進(jìn)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(yīng)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(dǎo)管擴(kuò)口角度增大，密封區(qū)兩端的接觸應(yīng)力峰值逐漸減小。從圖10（b）可以看出第2尺寸系列導(dǎo)管擴(kuò)口角度為78°和82°時，密封區(qū)兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。統(tǒng)計(jì)兩種尺寸系列結(jié)構(gòu)錐面平均接觸應(yīng)力，如圖11所示。圖中可見，第2尺寸系列的平均接觸應(yīng)力高于第1尺寸系列，并且隨著導(dǎo)管擴(kuò)口角度增大，錐面上的平均接觸應(yīng)力逐漸減小。以密封面平均接觸應(yīng)力為評價標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)降低導(dǎo)管和接頭錐面擴(kuò)口角度，可以提高平均接觸應(yīng)力，進(jìn)而提高導(dǎo)管連接的密封性能。

圖10 不同擴(kuò)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(yīng)力

3 結(jié)論

本文對航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的擴(kuò)口式導(dǎo)管連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，得到兩種尺寸系列結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力，等效塑性應(yīng)變以及接頭錐面接觸應(yīng)力分布情況，并對擴(kuò)口式連接結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)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(dǎo)管密封面上的接觸應(yīng)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(yīng)力集中，密封區(qū)中部接觸應(yīng)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(yīng)力兩端小中部大。第2尺寸系列結(jié)構(gòu)的峰值接觸應(yīng)力和平均接觸應(yīng)力均高于第1尺寸系列，且導(dǎo)管密封面部分區(qū)域進(jìn)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(yīng)力分布有影響，摩擦系數(shù)越小，密封面的接觸應(yīng)力越大。在擴(kuò)口導(dǎo)管裝配時，對接頭錐面和導(dǎo)管擴(kuò)口端內(nèi)表面作油潤處理，密封面的平均接觸應(yīng)力可提高12%以上，此舉有利于提高擴(kuò)口導(dǎo)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(yīng)力影響明顯，倒角半徑越大，接觸應(yīng)力越大。倒角半徑為0.6 mm時，第1尺寸系列導(dǎo)管擴(kuò)口端根部進(jìn)入塑性變形階段，進(jìn)而提高導(dǎo)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(dǎo)管擴(kuò)口角度對連接結(jié)構(gòu)密封性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著擴(kuò)口角度減小，密封面上的平均接觸應(yīng)力逐漸增大，且密封區(qū)端部的應(yīng)力也增大。工程應(yīng)用中可以適當(dāng)減小導(dǎo)管擴(kuò)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(yīng)力，提高擴(kuò)口導(dǎo)管連接的密封性能。