王 毅,張 萌,衛(wèi) 強,劉 艷,張 翼,李原良,孫 恒

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所, 北京 100076;2.河南航天液壓氣動技術有限公司, 鄭州 450048)

0 引言

金屬軟管是現(xiàn)代工業(yè)管路中廣泛采用的一種柔性連接管道,具有質量輕、柔性好、體積小、耐腐蝕、耐高低溫等特點,廣泛應用于石化、冶金、機車、船舶、航空航天、特種設備、城市供水及能源建筑等領域[1-2]。金屬軟管是由不銹鋼波紋管外編織一層或多層鋼絲或鋼帶網(wǎng)套的柔性管道元件,航天領域主要用在火箭的增壓、伺服供氣、艙段吹除、氣封等管系上,其作用是補償管路及其邊界的安裝偏差和工作變形。從結構上分為單機和零件,前者是軟管兩端焊接了接管嘴或法蘭可以直接和所在管系連接;后者軟管兩端只有接頭,沒有接管嘴或法蘭,需要焊接到管系上。金屬軟管由鋼絲網(wǎng)套部分和兩端連接接頭焊接而成,其中網(wǎng)套又由金屬波紋管、接管、環(huán)、鋼絲網(wǎng)套焊接而成。

黃薪鋼等[3]針對金屬軟管在使用過程中發(fā)生泄漏的問題進行了失效原因分析,提出了相應的改進建議和預防措施。王增等[4]分析得出了振動載荷是導致波紋管疲勞失效的主要原因。韓淑潔等[5]采用 ANSYS 對金屬軟管的軸向拉伸和壓縮進行了仿真計算;楊義俊[6]采用ANSYS對金屬軟管進行內壓和軸向位移載荷下的應力分析;甘士闖[7]采用 ANSYS對金屬軟管進行多種工況下的應力分析。倪洪啟等[8]利用試驗法和有限元法相結合的方式對加裝網(wǎng)套的波紋金屬軟管進行疲勞壽命分析預測,為軟管的疲勞設計提供參考。賈鐸等[9]對金屬軟管運用有限元求解變形后的路徑形狀的計算方法對金屬軟管的長度和補償工作條件下的曲率半徑進行了分析,得到金屬軟管的管形變化可滿足發(fā)動機位移補償要求。趙劍等[10]研究了承壓狀態(tài)下編織網(wǎng)套對金屬軟管的增強機理及相互作用模式,給出了基于有限元解定量評估網(wǎng)套增強能力及校核網(wǎng)套強度的理論分析方法。此外金屬軟管結構的焊接接頭薄弱部位的分析可從裂紋長度、材料性質及外部載荷等多個方面開展工作,目前主要采用有限單元法(FEM)、擴展有限單元法(XFEM)、邊界單元法(BEM)、無網(wǎng)格法和SBFEM[11-14]等開展分析。

綜上所述,一些研究人員對網(wǎng)套波紋金屬軟管進行了研究并對其疲勞壽命進行預測分析,取得了一定的成果?；诘蜏毓苈返膬?yōu)化設計需求,本文中設計了能夠滿足補償量要求的金屬軟管,通過獲得了金屬軟管的性能作為仿真輸入的參數(shù),管路內部流體采用液態(tài)聲學單元模擬,開展硬管結構和金屬軟管結構2種管路的仿真分析,并且利用有限元仿真分析和試驗結合的方式對優(yōu)化設計后的金屬軟管管路進行振動疲勞壽命預測,為后續(xù)管路的優(yōu)化設計提供參考

1 低溫管路結構特征

某低溫管路主要用于發(fā)動機的預冷及回流工作,更改前為純硬管結構直接連接發(fā)動機和貯箱,管材為1Cr18Ni9Ti,管路通徑為Φ52*1 mm,由于金屬軟管具有質量輕、耐腐蝕、抗疲勞和柔性好等優(yōu)點,本次優(yōu)化設計利用金屬軟管替代原管路中部分直邊段硬管,更改后為金屬軟管結構管路能夠適應更大的變形,2種管路結構的三維模型及結構尺寸如圖1和圖2所示。

圖2 某低溫管路軟管結構形式及尺寸

2 振動疲勞理論

2.1 振動理論

管路在工作過程中要承受內壓、高低溫、位移、振動等載荷,在研制過程中要進行正弦掃頻、定頻振動及隨機振動力學環(huán)境考核試驗,邊界條件復雜,其可能的失效形式包括強度破壞和疲勞破壞[15-16]。在系統(tǒng)產品組件試驗中曾多次發(fā)生結構振動疲勞破壞的現(xiàn)象,結構的振動疲勞一般屬于應力疲勞,疲勞的壽命分析一般結合材料的S-N曲線選擇合適的疲勞損傷模型進行[17]。由振動理論可知,管路振動的動力學微分方程如式(1)所示。

(1)

式(1)中:[M]為管路整體結構的質量矩陣;[C]為管路結構的阻尼矩陣;[K]為管路結構的剛度矩陣; {F(t)}為管路整體結構的激勵載荷;{χ}為管路結構的振幅。

2.2 疲勞累計損傷理論

針對處于振動幅度相等載荷的振動環(huán)境下,可直接由材料的S-N曲線估算出結構所承受載荷下的疲勞壽命。管路主要承受正弦掃頻、定頻、隨機振動等多種載荷環(huán)境,無法通過材料的S-N曲線預測壽命,只能依靠Miner線性疲勞累計損傷理論進行分析。在實際工程中,Miner線性疲勞累積損傷理論得到廣泛運用,即認為在多級應力幅值加載條件下,不同時刻的應力幅值之間彼此獨立、互不相干,其所造成的疲勞損傷可進行線性疊加,當該疊加值增至臨界值時,結構將發(fā)生疲勞破壞[18]。結構在多級載荷循環(huán)作用下的疲勞損傷度D可根據(jù)載荷循環(huán)次數(shù)n和對應應力水平下的疲勞壽命N按照式(2)計算。

(2)

式(2)中:k為應力水平級數(shù);ni為第i級應力水平下的循環(huán)次數(shù);Ni為第i級水平應力下的疲勞壽命。

3 有限元仿真模型

3.1 材料及參數(shù)

管路硬管段、活套法蘭、金屬軟管接頭、鋼絲網(wǎng)套均由1Cr18Ni9Ti組成,密度為7.90×103kg/m3,泊松比為0.29,其他材料力學性能見表1所示,金屬軟管的等效剛度見表2。

表1 材料力學性能

表2 金屬軟管等效剛度

3.2 有限元模型

對硬管結構的低溫管路直接進行簡化,兩端活套法蘭只保留法蘭部分,兩端法蘭和管路部分均設置為實體模型。對帶金屬軟管結構的低溫管路進行簡化處理,法蘭部分簡化同硬管結構,管路部分簡化為殼模型;金屬軟管為真實模擬材料參數(shù),保留兩端接頭后簡化為4段連接單元(Cartesien+Cardan),試驗測得軟管的性能參數(shù)作為輸入,其各向剛度設置表2中參數(shù);軟管結構重量和內部液氮重量分散施加在5個節(jié)點上;管路內部流體建立實體模型,采用液氧聲學單元模擬。2種結構管路模型中實體連接部位均按Tie連接處理,實體與殼單元連接采用Shell-to-solid-coupling連接處理,簡化后管路有限元模型見圖3所示。

圖3 低溫管路有限元模型

3.3 載荷條件

為模擬真實溫度載荷變化,初始溫度設定為293 K,施加邊界位移后模型施加80 K的低溫載荷模擬真實工況,管路內的工作壓力2.4 MPa(表壓),同時在管路硬管長的一端法蘭施加固定約束,硬管短的一端施加位移邊界條件,管路移動端位移邊界如表3所示,鑒定隨機振動條件如表4所示,振動試驗方向為X、Y、Z三個方向。

表3 振動試驗管路移動端邊界條件

表4 高頻段隨機振動鑒定試驗條件

4 結果與分析

有限元仿真分析為2步:第1步為ABAQUS振動響應分析,第2步為Ncode疲勞壽命分析。對硬管結構和金屬軟管結構的2種管路分別開展靜力分析、模態(tài)分析、疲勞壽命分析,得到仿真分析結果如下。

4.1 靜力結果分析

對2種結構管路分別施加溫度、內壓、位移條件等邊界,利用ABAQUS軟件進行有限元分析,得到靜力分析結果包括靜載位移、靜應力和塑性應變結果如圖4—圖6所示。

圖4 管路靜載位移分布云圖

圖5 管路靜應力分布云圖

圖6 管路塑性應變分布云圖

硬管結構的位移變化最大部位處于管路加載端的彎管區(qū)域,最大值為35.56 mm,金屬軟管位移變化最大部位位于加載端,最大值為26.36 mm;硬管結構的應力變化最大部位位于加載端,最大應力為500.1 MPa,彎管部位的應力也較大,大小為465.7 MPa,金屬軟管靜應力最大位置位于管路硬管長的一端法蘭與管子焊接部位,最大靜應力為576.4 MPa,此時,金屬軟管結構的管路部分地方已進入屈服區(qū)間。

4.2 模態(tài)結果分析

對充分考慮仿真模擬的真實性,內部液體采用聲學單元模擬其質量屬性,有限元模態(tài)分析得到硬管結構和金屬軟管結構前14階的模態(tài)固有頻率曲線如圖7所示。工程上一般取前四階的模態(tài)結果作為參考,本次給出管路2種結構各階固有頻率及模態(tài)振型如圖8所示,硬管結構由于剛度較大,因此各階頻率相較于軟管結構高很多,金屬軟管機構的前四階模態(tài)固有頻率基本在50 Hz以內。

圖7 2種結構各階模態(tài)對比曲線

圖8 管路各階振動模態(tài)與頻率

4.3 振動疲勞結果分析

通開展管路在鑒定量級隨機振動載荷作用下的均方根應力和損傷DL值進行分析,2種結構的均方根應力云圖及損傷DL值云圖如圖9和圖10所示。

圖9 硬管結構管路疲勞結果分析

圖10 金屬軟管結構管路疲勞結果分析

從圖9可以看出硬管結構管路隨機振動載荷下的動應力最大均方根值為32.08 MPa,動強度疲勞壽命DL值為2.471E-9。動應力最大危險點對應的應力功率譜為96.329 Hz,對應模態(tài)第2階振動為彎曲振動,振幅最大位置位于管路中間直邊段。

從圖10可以看出金屬軟管結構管路隨機振動載荷下的動應力最大均方根值為90.05 MPa,動強度疲勞壽命DL值為0.001 324,疲勞壽命能夠滿足要求。從動應力最大危險點對應的應力功率譜可以看出危險點頻率分別為105.05、168.54、314.01 Hz,對應模態(tài)分析結果的第9、11、13階,第9、11階對應的振幅最大位置為短硬管端接頭與金屬軟管的鋼絲網(wǎng)套焊接部位,第13階對應的振幅最大位置為金屬軟管中間部位。

5 試驗驗證

依據(jù)上述仿真分析可知金屬軟管的靜強度低于硬管結構,但能夠滿足強度使用要求,金屬軟管結構由于補償作用明顯能夠減少管路的變形;金屬軟管結構的最大動應力大于硬管結構,疲勞壽命相較硬管結構變小,但是金屬軟管結構的DL值為0.001 324<<0.1,足以滿足疲勞壽命的要求,因此,針對改進替換后的金屬軟管結構管路開展試驗驗證。

振動試驗時,管路通過專用振動試驗工裝固定于振動臺臺面上,振動試驗系統(tǒng)輸出振動載荷,對振動臺臺面上的試驗件施加符合試驗條件的振動環(huán)境;低溫內壓環(huán)境通過液氮加壓系統(tǒng)對管路加注液氮實現(xiàn);管路位移通過在安裝試驗件移動試驗工裝予以施加。再通過加速度傳感器、應變片、熱電偶、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等儀器設備獲取試驗件關鍵部位的響應,試驗系統(tǒng)搭建如圖11所示,現(xiàn)場試驗安裝。

試驗前在管路上粘貼應變片實時監(jiān)測試驗過程中應變變化,并在管路和工裝上粘貼加速度測點用來測量試驗過程振動傳遞效果,依據(jù)測量結果可知,試驗過程應變測量最大值為1 555 με,換算得到動應力最大值為317.53 MPa,位置為管路直邊段短的一端法蘭和管路焊接部位。試驗測得動應力結果偏大的原因可能是由于振動工裝的轉接剛度不足造成振動響應放大,另外管路外表面絕熱層對結果也會產生一定影響。

對比仿真分析結果和試驗結果,發(fā)現(xiàn)金屬軟管結構的管路振動疲勞壽命的薄弱環(huán)節(jié)均位于管路直邊段短的一端法蘭和管路焊接部位,說明此處在焊接過程應控制好質量,避免出現(xiàn)缺陷影響疲勞壽命。對于焊接結構接頭部位。

6 結論

本文中以某型低溫管路為研究對象,開展了管路結構的優(yōu)化設計,并利用有限元軟件ABAQUS進行靜強度分析和模態(tài)分析,用Ncode軟件計算動應力和疲勞壽命,并針對金屬軟管結構管路開展試驗驗證,得到的主要結論為:

1) 同等載荷條件下,硬管結構和金屬軟管結構部分管路均進入了屈服區(qū)間,塑性應變值均在2%以內,由于金屬軟管的補償能力強,軟管管路相同部位的變形量明顯小于硬管結構,管路結構在靜載下能夠滿足使用要求。

2) 前四階模態(tài)分析結果可知硬管結構各階頻率相較于軟管結構高很多,振幅較大位置均位于管路中間的硬管部分或金屬軟管部分。

3) 金屬軟管結構的疲勞壽命低于硬管結構,但是金屬軟管結構在鑒定激勵條件下的疲勞損傷DL值<0.1能夠滿足使用要求。

4) 優(yōu)化設計的金屬軟管結構管路靜強度和疲勞壽命均能夠滿足使用工況要求,并且其金屬軟管具有較大的補償量,在管路安裝過程具有良好的適應性。