基于CAEPIPE的高溫高壓引氣導管應力分析

朱禹+劉超+王磊

【摘 要】本文在分析了民用客機高溫高壓引氣導管工作特性、材料特性、受力原理和布置方式的基礎上，基于CAEPIPE軟件建立了引氣導管的計算模型；并選用米塞斯應力準則，進行了應力計算與分析。研究工作對于我國民用客機導管系統的設計優化具有參考價值。

【關鍵詞】民用飛機；高溫高壓導管；應力分析

0 引言

高壓引氣導管是飛機空氣管理系統必不可少的組成部分，負責運輸氣體、保證能量供給的作用[1-2]。引氣導管內流動的高溫高壓氣體會施加機械應力和熱應力于管道；同時，導管與機身之間的連接部件還會將飛機載荷分布變化引起的位移和振動傳遞給管道，影響約束邊界，形成附加應力；由于導管穿過機翼、發動機吊掛、機身等多個區域，應力集中可能引起的管道變形和疲勞破裂，不僅會影響環境控制系統功能的實現，而且會給其他系統帶來安全隱患[3-5]，故高壓導管系統需具有較高的可靠性。

為了保證高壓導管的安全運行，提高飛機的派遣率，在飛機設計階段，有必要對高壓導管系統進行應力設計分析。目前在高壓導管系統的設計優化方面，國外相關機構已開展了深入系統的研究，形成了較為完備的集熱學、力學、聲學、疲勞分析、故障模擬等于一體的系統理論分析方法與試驗研究手段[6-7]，但由于保密等原因，相關報道甚少。國內對該方面研究還處在起步階段，無論是理論分析還是試驗驗證均非常少，這種局面對于我國自主研制飛機十分不利。故接下來本文將對高壓導管展開應力特性分析研究。

1 導管應力計算流程及軟件

1.1 導管應力計算內容與準則

客機的引氣導管系統主要由導管、法蘭、閥門、支撐結構、補償裝置等組成，所受應力主要由內壓、導管的熱膨脹、外部載荷和偶然載荷等。綜上，對于高壓導管，無論是其結構組成還是應力分析都將會是一個比較復雜的過程，這決定了研究工作必然是一個由粗到細的過程。

應力分析與計算是研究管道在各種載荷作用下產生的力、力矩和廣義（等效）應力。在應力計算中，由于不同材料、部件的物性和結構特性存在差異，相應的應力判據也有所不同，選擇合適的應力準則是應力計算的基礎，對于金屬導管，米塞斯（Von Miese）屈服準則為最符合的應力準則。

1.2 導管應力計算軟件

目前壓力管道應力分析和動力分析方面，有CAEPIPE/CAESAR/MD NASTRAN等計算軟件。其中，CAEPIPE以其規范的通用管道設計、強大的分析功能、友好的界面、豐富的數據庫等優勢為大客導管應力分析提供了有利的技術保障；而MD NASTRAN軟件允許多學科在求解器內核上的集成仿真，可求解線性、非線性、CFD、運動以及顯式非線性動力學等問題，并能夠給出實體模型的三維仿真結果。但其計算模型復雜，計算速度較慢，任何部件都需要建立數值模型，效率較低。對于引氣導管的前期設計或簡單校核，可采用CAEPIPE進行原始約束和支撐條件下的管道應力分析，獲得應力和位移分布結果。本文將以尾段輔助動力裝置引氣導管為例，通過CAEPIPE建模進行應力分析。

2 輔助動力裝置引氣導管

2.1 導管描述

輔助動力裝置（Auxiliary Power Unit）引氣是客機引氣系統的重要組成部分，引氣系統可以根據工作狀態選擇從發動機、輔助動力裝置或高壓地面氣源引氣。在地面發動機停車狀態或者空中應急狀態下，輔助動力裝置引氣系統可以為為座艙空調、發動機起動提供氣源。圖1為尾段輔助動力裝置引氣導管的模型圖。

2.2 材料特性及導管特性

引氣導管材料為鈦合金，型號為CP-1 Ti，密度ρ=4512kg/m3，努塞爾數Nu=0.3。典型溫度下的材料屬性如表l所示。計算過程中，其它溫度點的材料屬性可通過線性擬合獲得。其中E為彈性模量，α為線膨脹系數，Fty為材料屈服極限。

導管由兩段不同直徑的部分組成，兩段導管的截面屬性及保溫層屬性如表2所示。

2.3 導管附件

1）法蘭及V型卡箍。由于工藝及安裝要求，導管的長度存在限制，布置中采用法蘭作為斷點，將導管分為幾部分，導管與導管之間通過V型卡箍連接。

2）鞍形卡箍。鞍型卡箍主要用于限制導管側向位移，防止導管大變形時與周圍部件產生干涉，是導管系統位移約束的主要部件。

3）球形接頭。球形接頭為波紋管密封式球形接頭，其僅能在側向兩個自由度進行轉動。表3所示為球形接頭特性。

4）防火密封件。防火密封件用于隔離火區和非火區，材料為橡膠，會對導管施加一定的約束力。

3 計算結果與分析

3.1 建模情況說明

根據導管模型圖中的管道布置和尺寸參數在CAEPIPE中建立如圖2所示的尾端輔助動力裝置引氣導管模型，模型中主要的部件包括管道、固定點、卡箍、球形接頭、變徑等。圖2為節點圖。

其中拉桿的建模采用了等效建模的方法，假設拉桿為兩端為球形接頭的一段實心導管，并且一端固定，建模圖具體如圖3所示。

3.2 應力計算結果

在應力計算結果評估方面，通常需注意導管的應力大小及分布、導管的安全裕度、支撐點及接口處的載荷大小、球形接頭的最大轉動量以及導管的變形位移情況。其中，安全裕度=許用應力/實際應力-1。

取保護壓力的工況點作為輸入，計算結果如下，圖4為導管的應力分布云圖，該圖表現了導管上應力分布的范圍及分布情況。從圖中可以看出，應力主要集中在第二個鞍形卡箍處。圖5為導管的安全裕度分布云圖，從圖中的分布情況來看，導管的安全裕度都大于1。

圖6表明了導管上所有球形接頭的最大轉動角度，從圖中可以看出，所有球形接頭的最大轉動角度均未超過最大允許的轉動角度，球形接頭的設計是符合要求的。

表4列出了鞍形卡箍以及兩個接口處的載荷大小，其中節點10和節點 370分別為導管與球面框的接口和導管與輔助動力裝置的接口，節點70和節點180為兩個鞍形卡箍的位置。

表4 支撐點以及接口處的載荷

圖7是導管偏移量的示意圖，其中虛線部分是偏移方向及大小的示意，從圖中可以看出，第二個球形接頭處的偏移量是最大的，同時節點110、節點 270由于與結構間隙最小，也需對其進行考察。表5分別列出了三個節點處的位移偏移量，可以看出三個點處的偏移量都小于要求的半英寸。

圖7 導管偏移量示意圖

表5 節點偏移量

通過上述計算表明，導管的應力情況、節點載荷、偏離量等均處于可接受范圍。

4 結論

本文在考察空氣導管結構尺寸、材料物性參數、工作條件及布置方式等因素的基礎上，基于CAEPIPE軟件對尾段輔助動力裝置引氣系統進行建模和應力分析，考察了其應力分布、應力大小、安全裕度、球形接頭轉動量、支撐點和接口處的載荷大小以及關鍵位置的偏移量。結果表明，CAEPIPE能迅速、有效的模擬空氣導管的力學性能，為大型客機引氣導管的設計節約設計成本。

【參考文獻】

[1]壽榮中，何慧珊.飛行器環境控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[2]ZHOU X X.LEA C J.BILO M Three-dimensional computational fluid dynamic modeling of natural gas releases from high-pressure pipelines，1997，42（5）：13.25[Z].

[3]LYNCH S P.HOLE B.PASANG T Failures of welded titanium aircraft ducts，1995（2）4：257.273[Z].

[4]R PAPA.B S de MATTOS.L C de C SANTOS Simulations of BleedAir Duct Rupture[AIAA 2003-3678].2003.

[5]嚴宗達.王洪禮.熱應力[M].北京：高等教育出版社，1993.

[6]王洪綱.熱彈性力學概論[M].北京：清華大學出版社，1988.

[7]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2003.