回形管接頭的裝配性能研究與分析

董飛 徐正杰 黃崇洋 徐祝平 劉碩

摘要：基于回形管接頭與回形管的直線段長度對該結構裝配性能的影響展開分析，以應力值、最大接觸壓力和壓裝力作為評價依據，采用有限元仿真分析的方法進行研究。隨著直線段長度逐漸增加，接頭和回形管的應力值逐漸減小，接頭、回形管中的應力最大值比最小值分別大650%與295.2%；內襯、外襯的最大接觸壓力也在逐漸減小，內襯、外襯的最大接觸壓力的最大值比最小值分別大384.9%與290.2%；壓裝力逐漸減小，其中最大值比最小值大678.8%。研究表明：直線段長度的變化對結構裝配性能的影響顯著。

關鍵詞：回形管接頭 有限元 應力值 最大接觸壓力 壓裝力

中圖分類號：TQ322.3?? 文獻標志碼：B?? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230256

Research and Analysis of Assembly Performance of Return Pipe Joint

Dong Fei， Xu Zhengjie， Huang Chongyang， Xu Zhuping， Liu Shuo

（Shanghai Chinaust Automotive Plastics Corp.， Ltd.， Shanghai 201700）

Abstract： With the stress value， the maximum contact pressure and the compression force as evaluation basis， the influence of the straight line length of the return pipe joint and the return pipe on the assembly of the structure was studied by using the finite element simulation analysis method. With the increase of the length of the straight line， the stress value of the joint and the return pipe decreases gradually， and the maximum stress value of the joint and the return pipe is 650% and 295.2% larger than the minimum stress value， respectively. The maximum contact pressure of the inner liner and the outer liner also decreases gradually， and the maximum contact pressure of the inner liner and the outer liner is 384.9% and 290.2% greater than the minimum value. The pressing force gradually decreases， and the maximum value is 678.8% greater than the minimum value. The research results show that change of the length of the straight line has a significant impact on the assembly performance of the structure.

Key words： Shaped pipe joint，Shaped pipe，Finite element，Stress value，Maximum contact pressure，Compression force

作者簡介：董飛（1990—），男，碩士學位，研究方向為復合增強材料仿真分析技術。

參考文獻引用格式：

董飛， 徐正杰， 黃崇洋， 等. 回形管接頭的裝配性能研究與分析[J]. 汽車工藝與材料， 2024（4）： 17-21.

DONG F， XU Z J， HUANG C Y， et al. Research and Analysis of Assembly Performance of Return Pipe Joint[J]. Automobile Technology & Material， 2024（4）： 17-21.

1 前言

近年來隨著新能源汽車的蓬勃發展，塑料接頭在汽車管路中的應用越來越多，對于接頭的性能需求也與日俱增。例如在新能源電池包附近的管路，多采用回形管接頭連接回形管以輸送液體，相較于傳統圓狀管接頭，具有更好的貼合度和空間利用率[1-2]。

盡管國內外對不同類型接頭的密封性能都有所研究，但對于回形管接頭的裝配性能研究較少，接頭連接質量直接影響管道的使用壽命及安全性[3]。因此，優化接頭的結構參數與裝配扣壓量，提高接頭的密封性能，對于管路安全具有重要意義。有限元技術的發展為快速確定不同條件下接頭的密封性能提供了有效途徑，極大降低了試驗成本。李翔云等[4]運用有限元法分析了接頭密封圈上的最大接觸壓力，研究了密封圈結構參數對密封性能的影響，為密封圈的設計與使用提供了一定參考。安少軍等[5]對套筒連接器密封結構進行了接觸分析，研究了最大接觸壓力分布與壓縮變形量及接觸面偏轉角之間的關系。楊超等[6]基于液壓膠管總成的有限元模型，確定了扣壓量及管體厚度對膠管總成連接質量的影響，克服了傳統依照經驗確定扣壓量的不足。聶根輝等[7]建立了軸向壓入式接頭的二維有限元模型，根據其在不同載荷下的密封性能對管接頭進行結構優化，提高了該類接頭的承載密封性能[8]。

通過有限元分析方法，對回形管接頭的裝配性能進行分析。首先，根據回形管接頭的幾何結構，建立有限元離散模型，并以回形管接頭與回形管的直線段長度為變量，分析該變量對回形管接頭的應力值、最大接觸壓力和壓裝力的影響。

2 幾何模型建立

2.1 回形管接頭的幾何模型

本文研究的回形管接頭結構如圖1所示，主要由外襯、內襯和底部組成，外襯、內襯兩端的圓弧段均通過直線段連接，圓弧段均為半圓柱狀，設r1為外襯半圓柱內側半徑，R1為外側半徑。r2為內襯的內側半徑，R2為外側半徑。H為回形管接頭的深度，L1、L2分別為外、內襯直線段長度。

2.2 回形管的幾何模型

在工程應用中，回形管接頭需要與回形管配合使用，回形管的截面形狀與管接頭的截面形狀相似。在裝配時，回形管接頭底部被工裝固定，回形管在夾具的作用下被壓入管接頭內部。圖2所示為回形管幾何結構，r3為回形管的半圓柱內徑，R3為外徑，h為進給量，L3為回形管直線段長度。

在回形管接頭與回形管裝配的過程中，兩者之間為過盈裝配，扁狀內、外襯的直線段長度與回形管的直線段長度相等，結構的幾何關系如式（1）所示：

[r1

為了后續對接頭與回形管的裝配性能進行分析，接頭與回形管結構參數如表1和表2所示。

3 建立有限元模型

3.1 回形管與接頭材料參數與建模

隨著有限元仿真技術的快速發展，在現代工程領域，計算機輔助工程（Computer aided Engineering，CAE）可以在設計階段對結構進行校核、優化，使得工程師在產品未生產之前就對設計的經濟性、可靠性、安全性進行評估。在各種CAE方法中，有限元法（Finite Element Msthod，FEM）在工程領域應用最廣，技術也相對成熟[9]。

首先，將幾何模型導入有限元環境中，并對回形管接頭和回形管的材料進行定義，材料參數如表3所示。

然后對模型進行有限元網格劃分，單元采用高階六面體單元。

3.2 邊界條件

回形管裝配過程中，通常由一個夾具將接頭固定，然后另一個夾具夾持回形管向接頭一端壓裝，最終將接頭與回形管壓裝在一起。根據裝配過程的工況，在有限元仿真環境中對模型添加邊界條件。

接頭底端（圖4中的B處）采用固定約束，回形管頂端（圖4中的A處），施加向接頭方向的位移5 mm，回形管與接頭之間的摩擦系數設為0.1。

4 裝配性能分析

4.1 直線段長度L3對應力值的影響

回形管接頭在裝入回形管的過程中，不同的直線段長度L3對結構整體的裝配性能會產生影響，為了評價回形管與接頭的裝配性能，本文選用應力值、最大接觸壓力、壓裝力這3個性能參數進行分析。為方便表述直線段長度L3對上述3個參數的影響程度，設置百分比參數ni（i=1，2，3，4，5），計算公式如下：

ni=（σi，max-σi，min）×100%/σi，min????????????????? （2）

式中：i=1為對應回形管接頭的應力值，i=2為對應回形管的應力值，i=3為對應內襯的最大接觸壓力，i=4為對應外襯的最大接觸壓力，i=5為對應壓裝力。

ni越大表示結構直線段長度L3對結構的性能影響越大。

直線段長度L3對回形管與接頭的裝配性能有直接影響，為了研究該影響，選取直線段L3的數值范圍為1～5 mm，選取間距為1 mm，當回形管進給量h=5 mm時，進行仿真分析。

當L3改變時，接頭與回形管的應力值將發生變化，若接頭的應力值大于拉伸強度，則接頭有斷裂的風險。回形管的應力值若大于屈服強度，回形管與接頭的密封性也將受到影響[10]。因此，提取接頭和回形管的應力值，如圖5所示，可以看出，隨著直線段L3的增加，接頭和回形管的應力值均減小。其中，根據式（2）計算，回形管接頭的應力值最大值σ1，max比最小值σ1，min大約n1=650%；回形管的應力值中，最大值σ2，max比最小值σ2，min大約n2=295.2%。接頭的應力值主要分布在外襯的內側底部，回形管的應力主要分布在回形管兩端的圓弧段，且均小于材料的屈服強度。

4.2 直線段長度L3對最大接觸壓力的影響

考慮到部件之間的激光焊接工藝，所以裝配后部件之間的最大接觸壓力也是裝配性能的主要影響因素之一。統計最大接觸壓力如圖6所示，隨著L3的增加，內襯、外襯的最大接觸壓力逐漸減小。內襯的最大接觸壓力中，根據式（2）計算，最大值σ3，max比最小值σ3，min大約n3=384.9%；外襯最大接觸壓力中，最大值σ4，max比最小值σ4，min大約n4=290.2%。

除了最大接觸壓力外，最大接觸壓力的分布對焊接和密封的影響同樣至關重要，不同的L3數值對應的最大接觸壓力云圖如圖7所示，隨著L3的減小，最大接觸壓力云圖的分布更加均勻。

4.3 直線段長度L3對壓裝力的影響

回形管接頭在與回形管裝配時，將回形管壓入接頭內是一步非常重要的工藝過程，而壓裝力的大小對工裝夾具的選擇具有一定的指導作用，因此，提取不同的直線段長度L3對應的壓裝力值，如圖8所示，隨著L3的不斷增加，壓裝力逐漸減小，根據式（2）計算，壓裝力最大值σ5，max比最小值σ5，min大約n5=678.8%。

5 結論

a. 通過有限元仿真分析的方法，分析不同的直線段長度L3對結構裝配性能的影響得出結論，隨著直線段長度L3的逐漸增加，接頭和回形管的應力值均逐漸減小。接頭、回形管的應力中，最大值比最小值分別大650%與295.2%；內襯、外襯的最大接觸壓力均在逐漸減小，內襯、外襯的最大接觸壓力中，最大值分別比最小值大384.9%與290.2%；壓裝力逐漸減小，其中壓裝力最大值比最小值大678.8%。

b. 在滿足結構強度和使用功能的前提下，回形管與接頭的直線段長度L3越小，其最大接觸壓力值越大，分布更加均勻，壓裝力也越大，對工裝的要求也相對提高。

參考文獻：

[1] 于柏峰. 油氣輸送用柔性增強熱塑性管道研究和應用[J]. 纖維復合材料， 2018， 35（4）： 29-33.

[2] 劉文舒， 張戰歡， 劉杰， 等. 增強熱塑性塑料復合管的接頭設計與分析[J]. 壓力容器， 2021， 38（3）： 31-39.

[3] 王騰， 曲金枝， 包興先， 等. 深水復合材料柔性管接頭設計及密封分析[J]. 石油機械， 2021， 49（5）： 74?80.

[4] 李翔云. 海洋非粘結柔性管道接頭結構設計與分析研究[D]. 大連： 大連理工大學， 2014.

[5] 安少軍. 深水海底管道套筒連接器密封接觸特性研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學， 2012.

[6] 楊超. 高壓膠管總成力學模型及其扣壓過程控制系統研究[D]. 長沙： 中南大學， 2003.

[7] 聶根輝. 管道軸向壓入式接頭力學分析及結構優化[D]. 南昌： 南昌航空大學， 2012.

[8] 張學敏， 黃浩瀚， 李厚補， 等. 聚酯纖維增強熱塑性塑料復合管扣壓接頭密封性能研究與結構優化[J]. 中國塑料， 2022， 36（10）： 90-97.

[9] 周炬， 蘇金英. Ansys Workbench有限元分析實例詳解（靜力學）[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2017： 1-5.

[10] 劉明濤. 高壓膠管總成聯接的扣壓力理論研究[D]. 長沙： 中南大學， 2011.