金屬軟管在航空發動機上的應用
關鍵詞：金屬軟管；航空發動機；位移補償；曲率半徑
0 引言
金屬軟管具有質量輕、體積小、承壓高、耐腐蝕、耐高低溫、抗疲勞、柔性好等優點，能夠吸收振動，補償安裝偏移和管線位移，廣泛應用于航空、航天、船舶和兵器等領域[1-4]。目前在航空發動機上的金屬軟管多用于補償制造偏差和熱偏差，而補償較大運動位移在國內的大中型渦噴、渦扇發動機研制中尚未應用。本文對金屬軟管在工作時管形變化對位移的補償能力進行分析和研究。
金屬軟管由網體部分和兩端連接接頭焊接而成，其中網體又由金屬波紋管、接管、環、鋼絲網套焊接而成。受金屬波紋管的結構限制，金屬軟管不能過度彎曲和承受軸向載荷，在承受扭曲應力或交變應力時，壽命會大大縮短。因此，金屬軟管需要在發動機上的有限空間內合理安裝和固定，同時還要滿足運動位移補償要求，難度較大。
圖1 金屬軟管系統
圖2 金屬軟管結構
1.1 系統要求
（1）實現發動機和配裝飛機附件機匣之間的管路接口連接。（2）發動機和配裝飛機附件機匣共用滑油系統，金屬軟管實現輸送滑油系統工作介質，如圖1 所示。1.2 結構尺寸要求
（1）根據某型發動機、飛機附件機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構，通過兩端硬管部分將發動機和飛機附件機匣接口之間的空間角度轉換為平面角度，使軟管柔性部分成為1個平面內1 個圓弧結構形式。金屬軟管的結構尺寸如圖2 所示。
2 計算方法及步驟
2.1 長度計算
軟管的長度計算主要包括2 個步驟：軟管路徑確定和路徑長度計算，基于材料力學原理，均勻軟管在兩端受約束后，其中心線形狀應至少滿足2 階光滑連續；基于高等數學原理，已知曲線起點、終點的坐標和外切向矢量，可以惟一確定1 條3 次樣條曲線。
以表2 提供的接頭端面圓心坐標為軟管的起、終端面圓心坐標，以接頭端面外矢量為軟管端面內矢量，采用樣條曲線對軟管路徑進行擬合。具體擬合方法為：
（1）以起點為坐標原點O，以起點－終點連線為對于按某一工況進行樣條曲線擬合得到路徑的軟管，在其它位移補償工況時，軟管形狀必然發生改變，曲率半徑也發生改變。本文采用有限元法對其他工況下的變形進行計算（如圖5 所示）。軟管分析建模采用了以下假設：
（1）相對于軟管管體，管接頭及相關組件剛性較大，假定在位移補償中，接頭端面只有平動，而無轉動。
（2）軟管內波紋管的波長相對其長度為小值，壁厚較薄，而網套沿長度方向較為均一，假定軟管管體截面慣性距沿其長度方向均勻分布。
具體實施步驟為：
（1）建立軟管在樣條曲線工況下的路徑曲線模型；
（2）采用管單元對路徑曲線進行單元劃分；
（3）輸入管截面尺寸參數和材料信息；
（4）一端進行完全零位移約束，另一端按補償工況要求的位移值施加平動位移，并約束轉動位移；
（5）進行幾何非線性求解。
4 結束語
（1）在某型發動機金屬軟管設計時，從結構、工藝等方面繼承現役金屬軟管的成熟技術，降低研制風險。
（2）金屬軟管長度和靜態彎曲半徑滿足在發動機上的安裝和固定要求；工作時的最小曲率半徑符合動態彎曲半徑要求。
（3）金屬軟管能夠滿足發動機的位移補償要求。
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