摘要：在航空发动机中，空气管路是非常重要的组成部分，其可靠性直接对发动机的安全性有着直接影响，因为发动机空气管路系统具有走向较为复杂，而且刚性较强的特点，由于温度的变化以及机匣出现热变形不协调等问题，容易在局部出现一定的应力应变，而造成整个系统出现疲劳断裂等问题。本文重点对航空发动机空气管路应力优化设计进行分析和研究，以供参考。
关键词：航空发动机；载荷；空气管路应力优化；低周疲劳断裂
引言
伴随当前行业快速发展，人们越来越重视飞机管路系统在设计过程中应力造成的低周疲劳断裂以及泄漏的问题。伴随当前计算机技术快速发展，数字仿真技术越来越成熟，对空气管路系统进行优化逐步成为可能，计算机软件优化技术逐步成为航空发动机管路调频以及其他部分设计过程中的热点。
本文主要通过弹塑性分析法、对应变以及载荷因素、结构参数等关系的影响进行分析，并且依照结构分解、系统优化等技术加强应力的控制，并且优化设计管路。
1 载荷分析与优化方法
1.1 载荷分析与应力校核
具体分析航空发动机空气管路，主要需要承受位移载荷、内压以及热载荷等三个部分，空气管路在工作的过程中需要承受一定的压力，这是空气管路必须要承受的，另外还需要承受一些附加载荷。
压力导致管路中出现一次应力，空气管路管壁的厚度通常较小，和截面圆内径的比通常条件下不会超过0.1，是一种非常典型的薄壁承压容器，与此同时，直管段的各向应力往往和管径成正比关系，与壁厚成反比关系。三通管路、弯管位置、主支管夹角等往往直接影响管路的承压效果。
空气管路的附加载荷主要指的是外部位移约束、热载荷等。这些附加载荷往往会导致管路当中出现二次应力。空气管路系统从启动开始到工作过程中，温度和管内压力都会造成管路出现一定的形变，管路入口处的位移需要和机匣的形变相协调，在出口位置需要达到任务系统需要达到的位移约束，这些约束往往会造成空气管路出现一定的位移载荷，另外位移约束以及热膨胀形变在应力求解时都属于位移边界条件。
改变管路走向以及接头的位置等都会造成结构尺寸、位移边界条件等出现变化，进而会对热应力产生影响，通过管线敷设可以在一定程度上将热应力抵消。优化管线之后，可以通过补偿器的添加，对管路当中的附加应力进行控制，这些方法都被叫做是管路补偿设计。
1.2 优化方法
本文依照管路应力校核的具体方法合理的进行优化，对航空发动机管路系统进行优化。对管路特性进行分析，主要为了了解管路的应力场、温度场及压力场的具体情况以及相关的变化，找到设计过程中出现的问题和薄弱点，并且在进行结构分解的过程中，单独分解一些对结构特性影响较大的零部件，接着对这些零部件进行优化，然后整体性的优化管路、管线。在此过程中需要单独进行优化的主要有支架局部结构、三通接头的位置。在整体性的优化系统管路前需要优化这些零部件的结构，主要是对一些应力集中的局部结构参数进行优化，让优化过程中变量维数得到控制，让计算效率提高。
2 管路系统弹塑性分析
在发动机空气管路系统当中，环控引气管路系统是非常重要的一个组成部分，九级引气管路系统在温度和空气压力方面要求相对较高，在管线布设的过程中非常复杂。其应力问题的代表性较强，该系统当中入口需要和高压压气机相连，接出口处连接的是环控引气阀门。整个系统主要有接口五个、支架四条以及管段三根。管段使用的主要是合金材料，在工作的过程中，往往会出现热膨胀形变等情况，受到多个位移边界条件的约束。
具体对管路系统进行流动与热分析，将获得的温度场、压力场等相关结果作为边界条件分析整个管路系统的结构特性。因为整个系统具有较大的载荷，在仿真计算的过程中发现支架耳片根部相通的腹部肩部等位置具有较大的应力，三通最大应力达到材料屈服极限，根据相关数据分析，通过小变形弹-塑性分析法来对整个应力情况进行分析。
在管路当中，某些位置具有严重的屈服。三通处具有最大的应力应变，塑性应变较大，需要重点对三通部位进行结构设计和优化。
3 三通优化计算
依照管路设计过程中的优化，需要首先优化设计三通部分，让部件承载能力提高，在航空发动机空气管路系统当中，主要使用的是两种三通结构。
首先，将参数化模型建立起来，合理的选择相关参数和结构尺寸为变量，接着进行结构分析，控制内压力在2.7兆帕，管路温度控制在570摄氏度。在支管入口处设置轴向约束，因为该结构属于异径三通，在出口位置需要进行气动平衡力的施加，对相关样本进行抽样调查作出拟合后以最小化最大应力为基础，通过筛选算法来优化结构。
4 管线优化计算
4.1 管线优化模型
管线优化主要在于补偿附加载荷所造成的管路应力，本文具体分析管路优化模型的各个参数，并且进行管路模型草图的绘制，在此条件下形成三维实体模型，最后利用装配的方式形成空气管路系统的三维模型，具体的模型和实体模型如下所示。
设计思路分析
在管路优化的过程中需要考虑的参数较多，为了让计算效果提高，首先分析灵敏度，依照灵敏度分析的具体要求选择一些影响较大的参数，其它参数，设定为定值输入。
通过分析之后发现在管线走向优化之后，最大应变下降了将近15.81%，而管路系统当中的最大应力产生了1.78%的下降，符合优化的具体效果。
在进行航空发动机管路优化的过程中，需要注意控制最大应力，在部件承压能力方面，在加载的时候往往会影响管路系统的应力应变水平，通过分析发现不同加载过程，管路应变的差值可以达到4.64%。
通过首先优化部件接着优化管线的方式，依照灵敏性对管路影响较大的参数进行分析，让变量维度降低，让优化效率提高，在进行优化之后管线系统的最大应力，以及附加载荷、应力都出现了明显下降，其整个系统的优化结果符合设计需要。
结束语
伴随当前航空发动机空气管路系统受载应力及应变过大的问题越来越受到重视，计算机技术的发展为该系统进行3维全尺寸弹塑性分析打下了坚实的基础，合理地通过相关软件对载荷加载过程对应力应变的影响进行分析逐步变为可能，在此条件下，对应力较大部位通过结构分解方法形成优化模型，并且优化相关部位的管路部件应力具有较好的效果。
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论文作者:鞠珊珊
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/29
标签：管路论文; 应力论文; 载荷论文; 系统论文; 空气论文; 过程中论文; 结构论文; 《基层建设》2019年第14期论文;