航空液压管道卡箍等效刚度及其影响因素研究
李枫, 刘伟, 韦顺超, 刘永寿     
西北工业大学 力学与土木建筑学院, 西安 710129
摘要: 采用实验方法确定了某型航空液压管道带垫卡箍的等效刚度并研究了管径、温度对刚度的影响。利用带温度箱的电子拉力试验机,测定了不同管径的单点固定带垫卡箍在不同温度(-50 ℃~125 ℃)下的等效刚度。研究表明:卡箍Y方向的等效刚度约为X方向等效刚度的1/4;室温环境中,卡箍管径从6 mm增加到12 mm,卡箍X方向等效刚度下降33.6%,卡箍Y方向等效刚度下降了49.6%;卡箍刚度对环境温度十分敏感,随着温度升高,不同管径卡箍刚度均有大幅下降,当温度高于80 ℃时卡箍夹紧力降低,并出现打滑现象。最后,建立了考虑温度场变化的卡箍细节有限元接触模型,利用该模型计算了不同影响因素下的卡箍刚度,预测结果与试验数据吻合良好。
关键词: 卡箍     等效刚度     温度     垫圈    
Research on Equivalent Stiffness and Influence Factors of Aero-clamps for Aircraft Hydraulic Pipelines
Li Feng, Liu Wei, Wei Shunchao, Liu Yongshou     
School of Mechanics, Civil Engineering and Architecture, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710129, China
Abstract: The equivalent stiffness of the aero-clamps for a certain type aircraft hydraulic pipeline was determined by experiments. The effects of temperature and pipe-diameter on the equivalent stiffness of the clamps were investigated. The tensile experiments of one-point-fixed clamps (containing cushion) with different pipe-diameter were designed. The experiments were carried out by INSTRON 5567 tester with a temperature box. The tested temperature range was -50℃~125℃. The experimental results showed that:1) The stiffness of the clamps in Y-direction was 25% of that in X-direction approximately; 2) At the room temperature, when the pipe-diameter increased from 6 mm to 12 mm, the equivalent stiffness in X-direction decreased by 33.6%, and the stiffness in Y-direction decreased by 49.6%; 3) The stiffness of one-point-fixed clamp decreased dramatically with increasing temperature. The clamping force declined when the temperature was greater than 80℃, and the slipping phenomenon was observed. Finally, a FEM model (considering the detailed-contacts between cushion and clamp-strap) for the aero-clamps was established, the numerical predictions are in good agreements with the experimental data.
Key words: clamps     stiffness     temperature     cushion    

航空卡箍是将管路固定到机体结构上的重要零件, 在飞机发动机、液压系统等结构中被广泛采用。卡箍的刚度对提升管路刚度、实现管路调频具有重要作用。目前飞机结构设计趋向轻量化、复杂化, 其液压系统管路布局越来越复杂、密集, 国内外先进飞机的设计中, 正在由传统的偏刚性卡箍向粘弹性卡箍转变[1-2], 粘弹性卡箍具有缓解装配应力、减小磨损以及吸收振动能量等优点。然而, 飞机液压系统从冷启动到超负荷工作, 其温度区间大约在-55 ℃~125 ℃。由于粘弹性材料对温度非常敏感[3], 卡箍的等效刚度在如此宽的温度范围内将发生不可预知的改变, 可能导致液压系统管道的振动特性发生变化, 影响飞机液压系统的安全, 飞机飞行将存在安全隐患。航空带垫卡箍就是一类典型的粘弹性卡箍, 因此研究航空带垫卡箍在不同温度下的刚度特性具有十分重要的意义。

美国汽车工程师协会[4]对航空液压管道的各类卡箍进行大量研究, 形成了一套完备的卡箍安装、测试、选用标准。Dekker等[5]研究了卡箍在不同螺栓拧紧力下的应力计算模型, 并对卡箍与管道连接的接触问题进行了细节分析, 提出合理的卡箍装配方法。郑敏[6]对新型带垫卡箍进行了完整阐述, 在卡箍选用和装配方面进行了研究, 提出研究国外高性能新型带垫卡箍并制定我国带垫固定类卡箍标准。尹泽勇等[7]研究了航空发动机管路系统所用卡箍的等效刚度, 并在常温环境中对卡箍的等效刚度进行了测定, 所选卡箍与现广泛应用的带垫卡箍也有所差别, 而现广泛应用的单点固定带垫卡箍试验数据, 特别是非室温下的等效刚度试验数据十分匮乏。

本文采用带温度箱的INSTRON 5567电拉试验机对不同规格尺寸的航空带垫卡箍进行拉伸试验研究, 测定了卡箍管径、环境温度对卡箍等效刚度的影响。建立了考虑温度场变化的卡箍细节有限元接触模型, 利用该模型计算了各影响因素下的卡箍的等效刚度值。

1 试验方案 1.1 试样及材料

单点固定带垫卡箍试样参考航空标准[8], 单点固定带垫卡箍由箍带、垫圈、防松螺丝等几部分构成。牌号HB3-25LB6B、HB3-25LB8B、HB3-25LB10B、HB3-25LB12B(图 1)的卡箍各3组, 其对应的管径分别为, 卡箍等效刚度取各组计算结果的均值。

图 1 不同管径的卡箍试样
1.2 试验原理

试验采用带温度箱的INSTRON 5567电拉试验机(如图 2), 拉伸机试验机夹头装有传感器, 可以感知力-位移变化并将信号传递给计算机, 计算机可显示卡箍试样的拉伸曲线。通过控制温度箱操作面板调节温度箱内部环境温度, 为了覆盖航空卡箍的几种典型温度环境, 选择-50 ℃, -20 ℃, 0 ℃, 22 ℃(室温), 45 ℃, 80 ℃, 125 ℃, 实验前将卡箍在温度箱中保温5 min后再进行刚度测试。

图 2 带温度箱的电子拉力试验机

在试验过程中为了能够保持自动对中, 并满足卡箍夹紧力要求[8-9], 加工专用夹具将卡箍固定(如图 3)。本文中主要研究卡箍自身的结构刚度, 航空液压管道为不锈钢材料, 因此可以将管道视为刚性结构, 采用与卡箍管径相等的不锈钢圆棒代替。

图 3 卡箍安装载荷施加示意图及夹具装配图
1.3 试验方法

为了保证测量精度, 夹具选用高刚度结构钢, 其模量达到209 GPa, 与卡箍结构相比, 其变形可以忽略不计。卡箍的安装参考卡箍安装标准[9], 卡箍试样不是拉伸试验的标准件, 无法对其进行标距, 夹具的加工精度要求非常高, 但是加工过程中难免造成一定的公差, 为了消除公差对试验结果的影响, 做了大量预试验。对预试验的结果分析表明, 卡箍试样施加10 N左右的预紧力, 消除夹具公差影响的效果最显著。在进行高温试验时, 将温度箱的底端和顶部用石棉密封, 避免温度箱内部与外部热交换。卡箍衬套为橡胶材料, 其热换系数和热导率较低, 为了使卡箍充分受热, 需温度箱达到预设温度后, 保温3~5 min, 才可进行拉伸试验。单点固定带垫卡箍属于弱支撑, 在较高应力水平下容易破坏, 因此加载行程不宜过长。

卡箍结构在某个方向上的等效刚度可采用式(1) 计算, 即

    (1)

式中:Ki表示卡箍的等效刚度; ΔFi表示载荷幅值变化量; ΔUi表示载荷方向的位移变化量, i=x, y表示载荷方向。

2 试验结果与影响因素分析 2.1 管径对卡箍等效刚度的影响

试验测试了不同管径卡箍的等效刚度, 室温下(22 ℃)卡箍等效刚度随卡箍管径变化趋势如图 4所示, 可以看出卡箍的等效刚度受卡箍管径的影响十分明显, 随着卡箍管径的增大, 卡箍的等效刚度呈现大幅下降。由于卡箍管径越大, 卡箍尺寸越大, 其等效的悬臂结构越长, 结构越容易发生形变, 卡箍Y方向的悬臂效应明显强于卡箍X方向的悬臂效应, 卡箍Y方向的等效刚度约为X方向等效刚度的1/4。

图 4 卡箍等效刚度随卡箍管径变化趋势图(室温)

表 1列出了常温环境中不同管径卡箍的等效刚度变化量(以6 mm管径卡箍常温下的等效刚度值作为比较标准), 卡箍管径从6 mm增加到12 mm, 卡箍X方向等效刚度下降了33.6%, 卡箍Y方向等效刚度下了49.6%。在卡箍安装过程中, 应根据激励的方向, 调整卡箍的安装方向, 避免卡箍承受Y方向的振动激励, 因为卡箍在大管径和Y向的等效刚度相对较小, 会导致管道较大的振动变形, 进而易造成卡箍断裂和管道失效。

表 1 不同管径卡箍等效刚度变化量
卡箍管径尺寸6 mm8 mm10 mm12 mm
KX/(kN·m-1)1 5201 4001 1101 010
变化量0%-7.9%-26.9%-33.6%
KY/(kN·m-1)391344265197
变化量0%-12.2%-32.2%-49.6%
2.2 温度对卡箍等效刚度的影响

试验测试了不同温度下的卡箍等效刚度, 图 5是卡箍X方向等效刚度随温度变化趋势图。

图 5 卡箍X方向等效刚度随温度变化趋势图

由于卡箍垫圈在低温环境中向玻璃态转化, 垫圈硬度明显增大, 同时箍带出现硬化现象, 可以看出低温环境中卡箍刚度明显提升。温度从-50 ℃升高到室温, 垫圈逐渐由玻璃态转化为常态, 逐渐恢复其超弹性特性, 箍带硬化现象逐渐消失, 因此卡箍X方向等效刚度出现下降, 下降幅值均超过68%, 其中管径12 mm卡箍X方向等效刚度值下降了92%, 以室温下的等效刚度值作为比较标准, 等效刚度变化值列于表 2。由于橡胶垫圈是典型的粘弹性材料, 其力学性能对温度十分敏感, 温度升高至80℃过程中, 卡箍橡胶垫圈性能下降, 而箍带的力学性能也受温度升高有所下降, 因此卡箍X方向等效刚度继续减小, 但是下降趋势有所减缓。温度高于80 ℃时, 垫圈的耐热性能达到了极限, 垫圈几乎失效, 箍带的力学性能在此温度区间不会出现明显的下降。从总体上来看, 不同尺寸卡箍X方向等效刚度随温度变化的趋势大致相同, 没有表现出明显的尺寸效应。

表 2 卡箍X方向等效刚度随温度变化量
管径/mm等效刚度变化量/%
-50 ℃-20 ℃0 ℃22 ℃45 ℃80 ℃125 ℃
6+68.4+38.8+14.10-8.5-26.3-32.9
8+70.0+34.3+11.40-4.3-31.5-34.7
10+81.8+44.1+18.90-4.5-20.1-24.9
12+92.1+32.7+15.80-12.3-27.5-29.9

与卡箍X方向等效刚度变化趋势有所不同, 卡箍Y方向等效刚度变化趋势和卡箍尺寸相关, 如图 6所示。可以看出卡箍Y方向等效刚度变化经历了迅速下降和平稳下降两个阶段, 卡箍尺寸越大, 迅速下降趋势所经历的温度范围越宽, 卡箍Y方向等效刚度受温度变化影响的程度越大, 管径为12 mm的卡箍等效刚度变化最剧烈, 从-50 ℃升高到室温的过程中, 其等效刚度值下降了93.4%, 管径为6 mm的卡箍等效刚度受温度影响最小, 卡箍等效刚度值下降了19.6%, 以室温下试验测定的等效刚度值作为比较标准, 不同管径卡箍等效刚度随温度变化百分比列于表 3。温度高于80 ℃时, 卡箍橡胶垫圈几乎失效, 导致卡箍夹紧力大大降低, 卡箍出现打滑现象, 卡箍管径越大, 打滑现象越严重。由于管道出现严重打滑, 因此并没有测得12 mm管径卡箍Y方向的等效刚度。

图 6 卡箍Y方向等效刚度随温度变化趋势图
表 3 卡箍Y方向等效刚度随温度变化量
管径/mm等效刚度变化量/%
-50 ℃-20 ℃0 ℃22 ℃45 ℃80 ℃125 ℃
6+19.6+0.8+0.50-2.6-8.9-15.6
8+30.5+6.1+3.20-4.1-17.7-22.9
10+55.5+32.100-3.8-21.5-27.5
12+93.4+65.5+28.90-5-11.2——
3 卡箍等效刚度的有限元计算

建立卡箍的有限元模型并进行结构分析, 采用公式Ki=ΔFi/ΔUi(i=x, y)计算卡箍的等效刚度, 对HB3-25LB6B, HB3-25LB8B, HB3-25LB10B, HB3-25LB12B这4种卡箍进行仿真计算, 模拟卡箍在室温(22 ℃), 45 ℃, 80 ℃, 125 ℃环境中的等效刚度。

3.1 卡箍有限元模型

参照《带垫的夹紧卡箍》[8]建立卡箍模型, 为了方便给卡箍施加载荷, 用实体钢管代替真实管道, 对卡带划分壳单元, 垫圈和实体管道划分实体单元, 其中垫圈材料选用Mooney-Rivlin超弹性本构模型, 卡箍各部件材料参数如下:1) 钢管的材料为1Cr18Ni9Ti, 材料参数E=209 GPa, γ=0.3;2) 箍带的材料为2A12, 材料参数E=70 GPa, γ=0.33;3) 垫圈的材料为EPDM8370, 材料参数Mooney-Rivlin, C10=0.774, C01=0.193 5, D0=0.025。对实体钢管施加集中力, 垫圈和实体钢管、垫圈和箍带间建立接触, 可以真实模拟卡箍的受力情况。为了模拟卡箍不同温度下的刚度特性, 首先对卡箍模型进行温度场分析, 将温度场分析结果作为卡箍刚度分析的温度边界条件, 卡箍各部件不同温度下的材料参数参考了试验数据[10-16], 卡箍有限元模型如图 7所示。

图 7 考虑温度场变化的卡箍有限元模型
3.2 仿真结果分析

卡箍X方向等效刚度仿真结果列于表 4, 对仿真数据进行分析, 可以得出:环境温度升高, 卡箍的等效刚度明显下降, 卡箍管径越大, 其悬臂效应越显著, 卡箍等效刚度下降越快。

表 4 卡箍X方向等效刚度仿真结果kN/m
温度/℃等效刚度/(kN·m-1)
6 mm8 mm10 mm12 mm
221 6501 4201 1001 050
451 5801 3601 0501 010
801 2801 130887781
1251 2201 070845749

将HB3-25LB10B卡箍的有限元仿真计算结果与试验结果进行对比, 如图 8所示。

图 8 仿真结果与实验结果的对比

可以看出, 考虑温度场变化的卡箍细节有限元接触模型仿真结果与试验测定的结果十分吻合, 因此可以采用该模型对卡箍的等效刚度进行预测分析。

4 结论

采用带温度箱的拉伸试验机, 在不同温度下对不同管径的航空带垫卡箍的等效刚度进行了测定, 并采用考虑温度场变化的卡箍细节有限元接触模型预测卡箍的等效刚度, 得到如下结论:

1) 卡箍管径从6 mm增加到12 mm, 卡箍X方向等效刚度下降33.6%, 卡箍Y方向等效刚度下降了49.6%, 且卡箍Y方向的等效刚度明显弱于X方向的等效刚度, 卡箍Y方向等效刚度值约为X方向等效刚度值的1/4。

2) 当温度从-50 ℃升高到室温, 卡箍的等效刚度出现大幅下降, 其中管径12 mm卡箍X方向等效刚度值下降了92%, Y方向等效刚度下降了93.4%。温度高于80 ℃, 卡箍橡胶垫圈失效, 因此有必要考虑卡箍支撑的温度效应。

3) 采用考虑温度场变化的卡箍细节有限元接触模型可以很好的预测卡箍的等效刚度, 模型精度不低于85%。

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DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0926
中华人民共和国工业和信息化部主管、西北工业大学主办。
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李枫, 刘伟, 韦顺超, 刘永寿
Li Feng, Liu Wei, Wei Shunchao, Liu Yongshou
航空液压管道卡箍等效刚度及其影响因素研究
Research on Equivalent Stiffness and Influence Factors of Aero-clamps for Aircraft Hydraulic Pipelines
机械科学与技术, 2017, 36(9): 1472-1476
Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2017, 36(9): 1472-1476.
DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0926

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收稿日期:2016-06-02

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