航空扩口式管接头力学响应分析及结构优化研究

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航空扩口导管是飞机压力传递和物质输运的主要载体,主要应用于液压系统、燃油系统和气压系统等,长期使用中在管接头处存在“跑、冒、滴、漏”现象。管路密封性能直接影响到飞机的正常运行和安全,因此,优化扩口式导管连接设计,进一步提高扩口式接头密封性能有重要的价值。本文开展的主要工作和研究成果如下:(1)针对外径为6 mm的导管连接结构,基于有限元方法,建立带有螺纹结构的三维模型,研究了扩口导管装配过程中拧紧力矩、扭转角度和预紧力之间的关系,并通过螺纹拧紧的理论计算进行验证。三维仿真结果与理论计算结果接近,验证了仿真模型的准确性。扩口管件装配过程,拧紧力矩和预紧力呈线性关系,理论推导的关系为后续的仿真工作提供依据。(2)针对航标规定的两种尺寸系列连接结构,分别采用二维旋转轴对称模型对航空扩口导管及连接件进行仿真分析,获得结构的等效应力、等效塑性应变以及密封面的接触应力分布规律。研究航空扩口式导管连接参数对其密封性能的影响,选取密封面摩擦系数、接头锥形小端的倒角半径、扩口角度和拧紧力矩作为变化参数。仿真结果表明:第2尺寸系列结构的密封性能优于第1尺寸系列;密封面摩擦系数越小,接触应力越大,有利于提高密封性能;增大接头锥形小端的倒角半径,使得第1尺寸系列倒角处的接触应力提高;导管的扩口角度越小,密封面的法向接触应力越高;两种尺寸系列结构进入塑性所需拧紧力矩分别是18 N·m和9.9 N·m,当拧紧力矩为19.5 N·m时第2尺寸系列导管扩口端形成贯穿截面的塑性区。研究结果为航空导管密封性能优化提供参考。(3)基于线面结合的密封形式,对扩口式管接头锥面进行开槽优化设计,使用二维旋转轴对称模型对开槽参数进行研究,获得最优的开槽参数,接头锥面开槽的宽度为1 mm,开槽位置距离锥形小端0.8 mm。基于弹塑性材料强化理论,提出扩口式导管连接的密封优化方案。(4)设计制造出新型管接头,并参考航标对新型管接头进行五项可靠性试验,包括弯曲试验、连接强度试验、重复装配试验、耐压试验和脉冲疲劳试验。对管件的弯曲试验和连接强度试验进行仿真分析。通过试验与仿真相结合,验证了新型扩口式管接头的可靠性。
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