无扩口型航空导管接头结构优化及旋压连接工艺分析

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在飞机的诸多管路中,负责输送油液的液压管路是飞机的生命线,其性能不仅影响着飞机的整体性能,还直接影响着飞行安全。目前,管路连接接头分为扩口连接和无扩口连接两种,随着对导管的承压能力要求越来越高,导管材料越来越多选用高强度的钛合金来代替传统的不锈钢材料,由于无扩口型连接的金属渐变成形工艺的成形力低,因此在导管接头连接生产中比成形力相对较大的扩口型连接工艺更具优势。本文主要针对某型号无扩口型连接接头(直径Φ12 mm)的结构优化和内径旋压连接工艺分析开展研究工作。首先采用逆向技术建立旋压连接装置模型,通过拉伸试验测定导管的材料力学性能参数;基于ABAQUS有限元软件,建立航空导管连接接头旋压连接的有限元模型。针对芯轴转速这一旋压连接的关键工艺参数,综合分析了芯轴转速对管套凹槽填充率、制件成形效果的影响,确定芯轴转速为2.8 rad/s。其次基于有限元分析对管套进行结构优化。先优化管套凹槽宽度,之后采用响应曲面法,以各凹槽深度和凸台宽度为变量,以达到抗拉强度的时间为优化目标,建立三阶响应曲面函数模型。通过对响应曲面函数模型的寻优求解,获得合理的工艺结构参数组合,即凹槽深度为0.13 mm,凸台宽度为0.95 mm。对凹槽深度和凸台宽度进行了相对误差分析,验证了响应曲面函数模型和优化结果的准确性。在工艺参数优化和结构参数优化后,对无扩口型航空导管接头的旋压连接进行理论解析,采用上限法设定运动许可速度场,并对滚柱的速度进行分解,确定各运动之间的关系;建立塑性变形消耗功率模型、速度间断面的剪切功率模型和接触面的摩擦功率模型,进而得到消耗总功率模型。根据功率平衡,建立单位接触压力和三向分解旋压力模型。对于Φ12 mm型钛合金航空导管接头,采用上述模型进行理论计算,确定消耗总功率为0.5846 k W,单位接触压力为378.83 MPa,轴向、径向和切向的旋压力分别为1084.93 N、693.25 N和91.65 N。对比分析了理论计算的三向旋压力和有限元分析获得的三向旋压力,结果表明理论计算值与数值模拟值具有较高的吻合度。根据上限法得到的总功率,选择旋压连接设备,该设备功率为0.75 k W。最后基于确定的连接工艺参数和接头结构参数,在选定的设备上进行导管接头的连接加工试验。对试验制件的剖面分析比较,结果表明凹槽填充率与模拟分析结果的误差较小。根据航空标准要求,通过密封性试验、连接强度试验、疲劳试验、脉冲试验和热冲击试验检测试验制件的主要性能指标,结果表明,各项检验指标均达到相关标准要求。
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