金属软管在航空发动机上的应用
关键词：金属软管；航空发动机；位移补偿；曲率半径
0 引言
金属软管具有质量轻、体积小、承压高、耐腐蚀、耐高低温、抗疲劳、柔性好等优点，能够吸收振动，补偿安装偏移和管线位移，广泛应用于航空、航天、船舶和兵器等领域[1-4]。目前在航空发动机上的金属软管多用于补偿制造偏差和热偏差，而补偿较大运动位移在国内的大中型涡喷、涡扇发动机研制中尚未应用。本文对金属软管在工作时管形变化对位移的补偿能力进行分析和研究。
金属软管由网体部分和两端连接接头焊接而成，其中网体又由金属波纹管、接管、环、钢丝网套焊接而成。受金属波纹管的结构限制，金属软管不能过度弯曲和承受轴向载荷，在承受扭曲应力或交变应力时，寿命会大大缩短。因此，金属软管需要在发动机上的有限空间内合理安装和固定，同时还要满足运动位移补偿要求，难度较大。
图1 金属软管系统
图2 金属软管结构
1.1 系统要求
（1）实现发动机和配装飞机附件机匣之间的管路接口连接。（2）发动机和配装飞机附件机匣共用滑油系统，金属软管实现输送滑油系统工作介质，如图1 所示。1.2 结构尺寸要求
（1）根据某型发动机、飞机附件机匣的空间位置和接口要求，金属软管采用硬管和软管组合结构，通过两端硬管部分将发动机和飞机附件机匣接口之间的空间角度转换为平面角度，使软管柔性部分成为1个平面内1 个圆弧结构形式。金属软管的结构尺寸如图2 所示。
2 计算方法及步骤
2.1 长度计算
软管的长度计算主要包括2 个步骤：软管路径确定和路径长度计算，基于材料力学原理，均匀软管在两端受约束后，其中心线形状应至少满足2 阶光滑连续；基于高等数学原理，已知曲线起点、终点的坐标和外切向矢量，可以惟一确定1 条3 次样条曲线。
以表2 提供的接头端面圆心坐标为软管的起、终端面圆心坐标，以接头端面外矢量为软管端面内矢量，采用样条曲线对软管路径进行拟合。具体拟合方法为：
（1）以起点为坐标原点O，以起点－终点连线为对于按某一工况进行样条曲线拟合得到路径的软管，在其它位移补偿工况时，软管形状必然发生改变，曲率半径也发生改变。本文采用有限元法对其他工况下的变形进行计算（如图5 所示）。软管分析建模采用了以下假设：
（1）相对于软管管体，管接头及相关组件刚性较大，假定在位移补偿中，接头端面只有平动，而无转动。
（2）软管内波纹管的波长相对其长度为小值，壁厚较薄，而网套沿长度方向较为均一，假定软管管体截面惯性距沿其长度方向均匀分布。
具体实施步骤为：
（1）建立软管在样条曲线工况下的路径曲线模型；
（2）采用管单元对路径曲线进行单元划分；
（3）输入管截面尺寸参数和材料信息；
（4）一端进行完全零位移约束，另一端按补偿工况要求的位移值施加平动位移，并约束转动位移；
（5）进行几何非线性求解。
4 结束语
（1）在某型发动机金属软管设计时，从结构、工艺等方面继承现役金属软管的成熟技术，降低研制风险。
（2）金属软管长度和静态弯曲半径满足在发动机上的安装和固定要求；工作时的最小曲率半径符合动态弯曲半径要求。
（3）金属软管能够满足发动机的位移补偿要求。
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