装配偏差对飞机管路疲劳寿命影响研究

摘要：飞机液压管路作为飞机的重要组成部位，不仅会对飞机飞行性能造成影响，还会威胁到飞机整体的安全性能。为了探究装配偏差对液压管路疲劳寿命的影响，通过建立有限元模型，分析三种装配偏差（轴向偏差、径向偏差和角度偏差）单独作用时对液压管路疲劳寿命造成的影响，并通过正交试验法分析三种装配偏差耦合时对液压管路疲劳寿命造成的影响。

关键词：飞机液压管路、疲劳寿命、正交试验

因液压管路在装配时，不可避免的会产生一些装配偏差，装配偏差势必改变管路接头的应力分布，进而影响到液压管路的疲劳寿命。对此要考虑在随机振动工况下，分析装配偏差对液压管路疲劳寿命造成的影响，才能保障飞机结构安全。本文基于有限元分析的方法，建立液压管路模型，通过仿真分析和疲劳寿命计算在随机振动工况下，单一装配偏差对液压管路的影响。以及多种装配偏差耦合作用的情况下，通过正交试验法分析哪种装配偏差对液压管路的疲劳寿命造成的影响显著，以保在装配时可以着重避免此偏差，为实际工况下的飞机安全提供理论依据和技术支持。

1 装配偏差

根据国家军用标准《飞机液压管路系统设计、安装要求》设置如下：轴向偏差：导管每100 mm长其偏差不超过0.3mm，对每根导管的总长偏差应控制在0. 8mm以内。径向偏差：导管自由端须与接头或附件管嘴在同一直线上，其偏差按导管每100 mm 长（从最近的支承件算起）不超过0. 3mm。角度偏差：导管自由端须与接头或附件管嘴平行，允许的偏差不超过2°。

2 随机振动疲劳寿命分析的Steinberg法

Steinberg疲劳分析方法为一种基于高斯分布与Miner准则的简化方法，适用于各种工程结构在随机振动环境下的疲劳寿命评估。该方法通过将随机激励假设为高斯分布，将振动分为三个区间，分别计算每个区间内的疲劳损伤，然后通过Miner准则累积这些损伤来预测结构的疲劳寿命‌。

Steinberg利用三个应力发生情况及其发生率以及Miner准则，来计算系统的疲劳损伤，如下：

3 算例

3.1液压管路模型

3.1.1 三维数模

建立双管并联飞机液压管路三维数模具体要求：管路内径为12mm，壁厚为2mm，三通接头上方的入口处的管路长度约为0.5m，三通接头左右两侧管路总长度约为1.6m。两条管路通过3个管夹并联安装在一起。

3.1.2 有限元模型

本文使用扫掠方法对所有管路进行网格划分，使用六面体网格对管夹、卡箍以及三通接头进行网格划分。并根据工程实际，将管夹和卡箍的壁板以及管路出入口处设置为固定支撑，并且在输油管路与管夹及卡箍间、管路与接头间以及接头与接头间、以及螺栓、铆钉等连接部位间的接触设置上均定为绑定接触方法。导管方面因其受到多种振动所导致的疲劳破坏，要着重考虑发动机工作时传递到管路的振动情况，在考虑飞机发动机激励通过管夹以及卡箍等支撑结构传递给液压管路结构后，决定同时在 X、Y、Z 三个方向对与支架相连接的壁板面以及管接头与舱壁的接触面施加基础加速度激励，分析其随机振动激励下的动力学响应。

3.3无装配偏差的液压管路疲劳寿命

对无装配偏差时液压管路进行分析，得到液压管路结构随机振动响应的3Von Mises应力结果。由随机振动计算结果可知，应力集中处发生在管路结构上，位置为三通接头与管路连接处，最大3Von Mises应力为159.37MP。之后通过仿真计算得到液压导管在正常装配下随机振动疲劳寿命为4590h，远高于3000h飞行小时典型战斗机集机体寿命标准和600h飞行小时定检标准，表明该液压导管在正常装配下疲劳寿命的安全裕度较大，可以保证飞行安全。

3.4 单一装配偏差对液压管路的影响

3.4.1 轴向偏差

在管路与三通接头上方入口连接处通过添加位移的方式模拟轴向偏差。根据国家军用标准《飞机液压管路系统设计、安装要求》，分别取轴向偏差为-0.4mm、-0.2mm、0mm、0.2mm、0.4mm。随着轴向偏差正向增加，代表液压管路远离三通接头。然后进行应力分析及疲劳寿命计算，不同大小轴向偏差下的应力与疲劳寿命变化曲线。由此可知当轴向偏差为负值时，代表管路与三通接头相互挤压。随着轴向偏差的负向增加，管路与三通接头连接处所受的应力也随之增加，管路的疲劳寿命也随之减小。当轴向偏差为正值时，代表管路远离三通接头。随着轴向偏差的正向增加，管路与三通接头连接处所受的应力随之减小，管路的疲劳寿命随之增加。

3.4.2 径向偏差

在管路与三通接头上方入口连接处通过添加位移的方式模拟径向偏差。分别取径向偏差为0mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm进行应力分析及疲劳寿命计算，不同大小轴径向偏差下的应力与疲劳寿命变化曲线。由此可知随着径向偏差的逐渐增大，管路与三通接头连接处所受的应力也随之增大，管路的疲劳寿命减少。与轴向偏差相比，径向偏差对液压管路疲劳寿命的影响相对较小。

3.4.3 角度偏差

在管路与三通接头上方入口连接处通过添加远程位移的方式模拟角度偏差。分别取角度偏差为0°、0.5°、1°、1.5°、2°进行应力分析及疲劳寿命计算，不同大小轴径向偏差下的应力与疲劳寿命变化曲线。由此可知随着角度偏差的增大，管路与三通接头连接处所受的应力也随之增大，管路的疲劳寿命减少。与轴向偏差和径向偏差相比，角度偏差对液压管路疲劳寿命产生的影响最大。

3.5 装配偏差耦合的疲劳寿命

本文采用正交试验法，通过多组数据分析出哪种装配偏差对液压管路疲劳寿命的影响最显著。

实验表明当轴向偏差为正值时，液压管路与三通接头处于分离状态，此时轴向偏差对管路疲劳寿命的影响是积极的，因此只考虑使管路疲劳寿命下降的负值轴向偏差。在管路与三通接头连接面处，对管路施加装配偏差，在进行随机振动分析得出液压管路在装配偏差耦合作用下的应力图和疲劳寿命。

正交试验设计中应保留至少一个误差组，以确保能够估计试验误差。通过SPAASU生成正交表，可以得到九组影响液压管路的三种装配偏差以不同大小耦合作用进行的正交试验，通过计算可得到这九组数据下的液压管路疲劳寿命。在正交实验中，极差的大小代表着装配偏差对液压管路疲劳寿命影响的大小。极差越大，说明该因素对试验结果的影响越显著。

对这些数据进行极差分析，得出在多种装配偏差耦合的情况下，三种装配偏差的极值大小对比为，由此可以判断对液压管路疲劳寿命影响最大的装配偏差种类是角度偏差。

在正交试验法的方差分析中，值可以用于检验各因素及其交互作用对试验结果的显著性。值的大小反映了因素或交互作用对试验结果的相对影响程度。值越大，说明该因素或交互作用的影响越显著。由方差分析可知，角度偏差的值最大，因此可以判断出角度偏差对液压管路的疲劳寿命影响最大，其次是轴向偏差，最后是径向偏差。

参考文献

【1】林君哲，周恩涛，杜林森，等.航空发动机管路系统振动机制及故障诊断研究综述[J].机床与液压，2013，41（01）：163-164+141.

【2】张剑宇.飞机液压管路疲劳强度的分析方法研究与评估软件实现[D].西安：西安电子科技大学， 2022.