基于CAEPIPE的高温高压引气导管应力分析

朱禹+刘超+王磊

【摘 要】本文在分析了民用客机高温高压引气导管工作特性、材料特性、受力原理和布置方式的基础上，基于CAEPIPE软件建立了引气导管的计算模型；并选用米塞斯应力准则，进行了应力计算与分析。研究工作对于我国民用客机导管系统的设计优化具有参考价值。

【关键词】民用飞机；高温高压导管；应力分析

0 引言

高压引气导管是飞机空气管理系统必不可少的组成部分，负责运输气体、保证能量供给的作用[1-2]。引气导管内流动的高温高压气体会施加机械应力和热应力于管道；同时，导管与机身之间的连接部件还会将飞机载荷分布变化引起的位移和振动传递给管道，影响约束边界，形成附加应力；由于导管穿过机翼、发动机吊挂、机身等多个区域，应力集中可能引起的管道变形和疲劳破裂，不仅会影响环境控制系统功能的实现，而且会给其他系统带来安全隐患[3-5]，故高压导管系统需具有较高的可靠性。

为了保证高压导管的安全运行，提高飞机的派遣率，在飞机设计阶段，有必要对高压导管系统进行应力设计分析。目前在高压导管系统的设计优化方面，国外相关机构已开展了深入系统的研究，形成了较为完备的集热学、力学、声学、疲劳分析、故障模拟等于一体的系统理论分析方法与试验研究手段[6-7]，但由于保密等原因，相关报道甚少。国内对该方面研究还处在起步阶段，无论是理论分析还是试验验证均非常少，这种局面对于我国自主研制飞机十分不利。故接下来本文将对高压导管展开应力特性分析研究。

1 导管应力计算流程及软件

1.1 导管应力计算内容与准则

客机的引气导管系统主要由导管、法兰、阀门、支撑结构、补偿装置等组成，所受应力主要由内压、导管的热膨胀、外部载荷和偶然载荷等。综上，对于高压导管，无论是其结构组成还是应力分析都将会是一个比较复杂的过程，这决定了研究工作必然是一个由粗到细的过程。

应力分析与计算是研究管道在各种载荷作用下产生的力、力矩和广义（等效）应力。在应力计算中，由于不同材料、部件的物性和结构特性存在差异，相应的应力判据也有所不同，选择合适的应力准则是应力计算的基础，对于金属导管，米塞斯（Von Miese）屈服准则为最符合的应力准则。

1.2 导管应力计算软件

目前压力管道应力分析和动力分析方面，有CAEPIPE/CAESAR/MD NASTRAN等计算软件。其中，CAEPIPE以其规范的通用管道设计、强大的分析功能、友好的界面、丰富的数据库等优势为大客导管应力分析提供了有利的技术保障；而MD NASTRAN软件允许多学科在求解器内核上的集成仿真，可求解线性、非线性、CFD、运动以及显式非线性动力学等问题，并能够给出实体模型的三维仿真结果。但其计算模型复杂，计算速度较慢，任何部件都需要建立数值模型，效率较低。对于引气导管的前期设计或简单校核，可采用CAEPIPE进行原始约束和支撑条件下的管道应力分析，获得应力和位移分布结果。本文将以尾段辅助动力装置引气导管为例，通过CAEPIPE建模进行应力分析。

2 辅助动力装置引气导管

2.1 导管描述

辅助动力装置（Auxiliary Power Unit）引气是客机引气系统的重要组成部分，引气系统可以根据工作状态选择从发动机、辅助动力装置或高压地面气源引气。在地面发动机停车状态或者空中应急状态下，辅助动力装置引气系统可以为为座舱空调、发动机起动提供气源。图1为尾段辅助动力装置引气导管的模型图。

2.2 材料特性及导管特性

引气导管材料为钛合金，型号为CP-1 Ti，密度ρ=4512kg/m3，努塞尔数Nu=0.3。典型温度下的材料属性如表l所示。计算过程中，其它温度点的材料属性可通过线性拟合获得。其中E为弹性模量，α为线膨胀系数，Fty为材料屈服极限。

导管由两段不同直径的部分组成，两段导管的截面属性及保温层属性如表2所示。

2.3 导管附件

1）法兰及V型卡箍。由于工艺及安装要求，导管的长度存在限制，布置中采用法兰作为断点，将导管分为几部分，导管与导管之间通过V型卡箍连接。

2）鞍形卡箍。鞍型卡箍主要用于限制导管侧向位移，防止导管大变形时与周围部件产生干涉，是导管系统位移约束的主要部件。

3）球形接头。球形接头为波纹管密封式球形接头，其仅能在侧向两个自由度进行转动。表3所示为球形接头特性。

4）防火密封件。防火密封件用于隔离火区和非火区，材料为橡胶，会对导管施加一定的约束力。

3 计算结果与分析

3.1 建模情况说明

根据导管模型图中的管道布置和尺寸参数在CAEPIPE中建立如图2所示的尾端辅助动力装置引气导管模型，模型中主要的部件包括管道、固定点、卡箍、球形接头、变径等。图2为节点图。

其中拉杆的建模采用了等效建模的方法，假设拉杆为两端为球形接头的一段实心导管，并且一端固定，建模图具体如图3所示。

3.2 应力计算结果

在应力计算结果评估方面，通常需注意导管的应力大小及分布、导管的安全裕度、支撑点及接口处的载荷大小、球形接头的最大转动量以及导管的变形位移情况。其中，安全裕度=许用应力/实际应力-1。

取保护压力的工况点作为输入，计算结果如下，图4为导管的应力分布云图，该图表现了导管上应力分布的范围及分布情况。从图中可以看出，应力主要集中在第二个鞍形卡箍处。图5为导管的安全裕度分布云图，从图中的分布情况来看，导管的安全裕度都大于1。

图6表明了导管上所有球形接头的最大转动角度，从图中可以看出，所有球形接头的最大转动角度均未超过最大允许的转动角度，球形接头的设计是符合要求的。

表4列出了鞍形卡箍以及两个接口处的载荷大小，其中节点10和节点 370分别为导管与球面框的接口和导管与辅助动力装置的接口，节点70和节点180为两个鞍形卡箍的位置。

表4 支撑点以及接口处的载荷

图7是导管偏移量的示意图，其中虚线部分是偏移方向及大小的示意，从图中可以看出，第二个球形接头处的偏移量是最大的，同时节点110、节点 270由于与结构间隙最小，也需对其进行考察。表5分别列出了三个节点处的位移偏移量，可以看出三个点处的偏移量都小于要求的半英寸。

图7 导管偏移量示意图

表5 节点偏移量

通过上述计算表明，导管的应力情况、节点载荷、偏离量等均处于可接受范围。

4 结论

本文在考察空气导管结构尺寸、材料物性参数、工作条件及布置方式等因素的基础上，基于CAEPIPE软件对尾段辅助动力装置引气系统进行建模和应力分析，考察了其应力分布、应力大小、安全裕度、球形接头转动量、支撑点和接口处的载荷大小以及关键位置的偏移量。结果表明，CAEPIPE能迅速、有效的模拟空气导管的力学性能，为大型客机引气导管的设计节约设计成本。

【参考文献】

[1]寿荣中，何慧珊.飞行器环境控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，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]严宗达.王洪礼.热应力[M].北京：高等教育出版社，1993.

[6]王洪纲.热弹性力学概论[M].北京：清华大学出版社，1988.

[7]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2003.