金屬軟管在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：金屬軟管；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；位移補(bǔ)償；曲率半徑
0 引言
金屬軟管具有質(zhì)量輕、體積小、承壓高、耐腐蝕、耐高低溫、抗疲勞、柔性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠吸收振動(dòng)，補(bǔ)償安裝偏移和管線(xiàn)位移，廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶和兵器等領(lǐng)域[1-4]。目前在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的金屬軟管多用于補(bǔ)償制造偏差和熱偏差，而補(bǔ)償較大運(yùn)動(dòng)位移在國(guó)內(nèi)的大中型渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制中尚未應(yīng)用。本文對(duì)金屬軟管在工作時(shí)管形變化對(duì)位移的補(bǔ)償能力進(jìn)行分析和研究。
金屬軟管由網(wǎng)體部分和兩端連接接頭焊接而成，其中網(wǎng)體又由金屬波紋管、接管、環(huán)、鋼絲網(wǎng)套焊接而成。受金屬波紋管的結(jié)構(gòu)限制，金屬軟管不能過(guò)度彎曲和承受軸向載荷，在承受扭曲應(yīng)力或交變應(yīng)力時(shí)，壽命會(huì)大大縮短。因此，金屬軟管需要在發(fā)動(dòng)機(jī)上的有限空間內(nèi)合理安裝和固定，同時(shí)還要滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)位移補(bǔ)償要求，難度較大。
圖1 金屬軟管系統(tǒng)
圖2 金屬軟管結(jié)構(gòu)
1.1 系統(tǒng)要求
（1）實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和配裝飛機(jī)附件機(jī)匣之間的管路接口連接。（2）發(fā)動(dòng)機(jī)和配裝飛機(jī)附件機(jī)匣共用滑油系統(tǒng)，金屬軟管實(shí)現(xiàn)輸送滑油系統(tǒng)工作介質(zhì)，如圖1 所示。1.2 結(jié)構(gòu)尺寸要求
（1）根據(jù)某型發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)附件機(jī)匣的空間位置和接口要求，金屬軟管采用硬管和軟管組合結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩端硬管部分將發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)附件機(jī)匣接口之間的空間角度轉(zhuǎn)換為平面角度，使軟管柔性部分成為1個(gè)平面內(nèi)1 個(gè)圓弧結(jié)構(gòu)形式。金屬軟管的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2 所示。
2 計(jì)算方法及步驟
2.1 長(zhǎng)度計(jì)算
軟管的長(zhǎng)度計(jì)算主要包括2 個(gè)步驟：軟管路徑確定和路徑長(zhǎng)度計(jì)算，基于材料力學(xué)原理，均勻軟管在兩端受約束后，其中心線(xiàn)形狀應(yīng)至少滿(mǎn)足2 階光滑連續(xù)；基于高等數(shù)學(xué)原理，已知曲線(xiàn)起點(diǎn)、終點(diǎn)的坐標(biāo)和外切向矢量，可以惟一確定1 條3 次樣條曲線(xiàn)。
以表2 提供的接頭端面圓心坐標(biāo)為軟管的起、終端面圓心坐標(biāo)，以接頭端面外矢量為軟管端面內(nèi)矢量，采用樣條曲線(xiàn)對(duì)軟管路徑進(jìn)行擬合。具體擬合方法為：
（1）以起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，以起點(diǎn)－終點(diǎn)連線(xiàn)為對(duì)于按某一工況進(jìn)行樣條曲線(xiàn)擬合得到路徑的軟管，在其它位移補(bǔ)償工況時(shí)，軟管形狀必然發(fā)生改變，曲率半徑也發(fā)生改變。本文采用有限元法對(duì)其他工況下的變形進(jìn)行計(jì)算（如圖5 所示）。軟管分析建模采用了以下假設(shè)：
（1）相對(duì)于軟管管體，管接頭及相關(guān)組件剛性較大，假定在位移補(bǔ)償中，接頭端面只有平動(dòng)，而無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)。
（2）軟管內(nèi)波紋管的波長(zhǎng)相對(duì)其長(zhǎng)度為小值，壁厚較薄，而網(wǎng)套沿長(zhǎng)度方向較為均一，假定軟管管體截面慣性距沿其長(zhǎng)度方向均勻分布。
具體實(shí)施步驟為：
（1）建立軟管在樣條曲線(xiàn)工況下的路徑曲線(xiàn)模型；
（2）采用管單元對(duì)路徑曲線(xiàn)進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑?/span>
（3）輸入管截面尺寸參數(shù)和材料信息；
（4）一端進(jìn)行完全零位移約束，另一端按補(bǔ)償工況要求的位移值施加平動(dòng)位移，并約束轉(zhuǎn)動(dòng)位移；
（5）進(jìn)行幾何非線(xiàn)性求解。
4 結(jié)束語(yǔ)
（1）在某型發(fā)動(dòng)機(jī)金屬軟管設(shè)計(jì)時(shí)，從結(jié)構(gòu)、工藝等方面繼承現(xiàn)役金屬軟管的成熟技術(shù)，降低研制風(fēng)險(xiǎn)。
（2）金屬軟管長(zhǎng)度和靜態(tài)彎曲半徑滿(mǎn)足在發(fā)動(dòng)機(jī)上的安裝和固定要求；工作時(shí)的最小曲率半徑符合動(dòng)態(tài)彎曲半徑要求。
（3）金屬軟管能夠滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的位移補(bǔ)償要求。
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