飛機導(dǎo)管避讓槽的橡皮成形研究

韓志仁，晏 冰，賈 震，杜昕洋

(沈陽航空航天大學(xué) a.航空宇航學(xué)院,b.航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室,沈陽 110136)

飛機質(zhì)量特性是飛機的固有特性之一，飛機質(zhì)量的設(shè)計是否合理直接關(guān)系到飛機的性能、成本和安全[1-3]。在飛機的導(dǎo)管系統(tǒng)中(如圖1)，存在導(dǎo)管間相互交叉的情況，通常會采用延長其中一根導(dǎo)管來避開另外一根和其他多根導(dǎo)管的方式，但采用這樣的方式會帶來局部空間緊張，增加飛機自身質(zhì)量等問題，在導(dǎo)管拆卸維修時，也會造成一定的麻煩。因此，為了滿足當(dāng)前航空導(dǎo)管系統(tǒng)減輕質(zhì)量、提高使用壽命的要求[4]，在導(dǎo)管交叉處，制造出相應(yīng)尺寸的導(dǎo)管避讓槽可以有效地解決以上的問題，提高飛機的整體性能。

圖1 導(dǎo)管交叉情況

橡皮成形的原理是用橡皮作為彈性的凸?；蛘甙寄?，和一般的沖壓、落壓工藝相比，具有生產(chǎn)效率高、表面質(zhì)量優(yōu)、操作安全可靠、工裝成本低等優(yōu)點[5]。目前關(guān)于導(dǎo)管彎制加工工藝和板料的橡皮成形的研究較多[6-9]，而對于導(dǎo)管避讓槽的成形工藝研究較少，因此本文對導(dǎo)管避讓槽的成形工藝進行仿真和實驗研究。在實驗前，先通過有限元軟件對實驗的結(jié)果進行預(yù)測，通過對仿真的分析計算選出合適的實驗參數(shù)，提高加工效率[10-11]。通過仿真與實驗成形效果的對比，分析并計算貼模度大小、壁厚分布規(guī)律，壁厚增減率等數(shù)據(jù)，驗證了導(dǎo)管成形有限元模型的有效性，對實驗有指導(dǎo)性的意義。

1 避讓槽成形原理

如圖2所示，在型腔為三通形狀的半模具內(nèi)平放待成形的管件，在管件內(nèi)部插入成形所需的芯模，并固定其位置，保證芯模的避讓槽對應(yīng)三通模具的上方開口處。在模具上端型腔內(nèi)，從上到下依次放置頂頭和聚氨酯橡皮。對頂頭施加一定大小的壓力，使聚氨酯橡皮沿型腔內(nèi)壁發(fā)生移動和一定范圍的壓縮，令其下方待成形管件按照芯模上的凹槽形狀發(fā)生塑性形變，進而生成避讓槽。

圖2 避讓槽成形原理示意圖

2 有限元仿真

2.1 有限元模型的建立

由于仿真過程既包括幾何非線性，又包括材料非線性的力學(xué)求解過程，本文使用目前被廣泛認可的計算非線性較強的有限元軟件ABAQUS對實驗過程進行模擬[12-13]。首先使用三維繪圖軟件CATIA創(chuàng)建模擬過程所需要的全部零件的數(shù)模。其中模具模型(如圖3a)簡化為內(nèi)徑均為24.5 mm的三通。芯模(如圖3b)是直徑為20.5 mm的實心圓柱體，再在正中間處挖出直徑為25 mm、深度為6.5 mm的圓形凹槽。橡皮、頂頭二者的直徑與三通內(nèi)徑一致，其中橡皮高度為30 mm，頂頭高度為10 mm。管件尺寸同實驗時所采用管件尺寸一致，長度為120 mm、內(nèi)徑為21 mm、外徑為24 mm。將上述零件導(dǎo)入ABAQUS中并按照圖2進行裝配后，約束模具、芯模和頂頭為剛體。橡皮為超彈性體，在ABAQUS軟件中采用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型[14-15]，模型參數(shù)中的C10和C01是通過ABAQUS擬合橡皮單軸壓縮實驗測得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線而得出的(單壓實驗如圖4)，得出的數(shù)據(jù)如表1所示，D1的值則由公式(1)確定[16]

(1)

采用橡皮材料廠家拉伸實驗得到泊松比，即v=0.45。橡皮被定義為體單元，采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為1 mm。管件的材料分別選用6061鋁和H85黃銅，參數(shù)見表2、表3所示，管件也被定義為體單元，采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為1.5 mm。

圖3 有限元模型

相互作用采用通用接觸，摩擦系數(shù)為0.1。對模具和芯模施加完全固定約束，并約束頂頭的自由度只能在豎直(Y軸)方向上移動，通過調(diào)整頂頭的進給量來控制壓力的大小。

圖4 橡皮單壓實驗

表1 聚氨酯橡皮的Mooney-Rivlin參數(shù)

2.2 有限元結(jié)果分析

改變頂頭的進給量，使用硬度為50、70和90 HA聚氨酯橡皮對銅管和鋁管進行仿真。從圖5b和圖5c的成形過程可以看出，成形首先從位于成形區(qū)域管件的中間部位開始下陷，隨著頂頭的下降，軸向方向的管件內(nèi)壁最先與模具貼合，接著是徑向方向的管壁與模具貼合。從圖5d可以看出，軸向方向的管壁完全與芯模貼合，而徑向方向在成形過程結(jié)束后，芯模與管徑內(nèi)壁尚有部分間隙留存。現(xiàn)將計算后的管件沿徑向方向從中心位置處剖開(如圖6所示)，貼模度用H表示，代表芯模與管件的貼合程度，即芯模與管件內(nèi)壁的距離。H值越小，成形效果就越好。將貼模度作為檢驗管件成形合格的標準，規(guī)定當(dāng)H≤1 mm且壁厚增減率小于5%時，即為合格試件。表4為橡皮硬度、頂頭進給量與管體貼模度的關(guān)系。

表2 6061鋁的材料性能

表3 H85黃銅的材料性能

圖5 成形過程

圖6 貼模度示意圖

由表4可知，當(dāng)橡皮硬度為70、90 HA，鋁管與銅管在進給量為12 mm時，均符合貼模度的標準，且在橡皮硬度為90 HA的情況時貼模度更好。因此，對橡皮硬度為90 HA的成形情況進行詳細研究，對于該情況按照圖7所示的標記點位置對鋁管、銅管的壁厚進行測量，并繪制壁厚分布曲線，如圖8所示。通過計算，鋁管仿真壁厚增減率分別為4.5%和1.4%；銅管的仿真壁厚增減率為1.34%和2.5%，壁厚增減率均控制在了5%以內(nèi)。

表4 不同硬度橡皮下情況貼模度與進給量的關(guān)系表

圖7 壁厚測量點位圖

3 實驗和實驗結(jié)果分析

選取YB32-1000四柱液壓機為動力提供裝置，如圖9a所示，按照圖9b所示進行裝配。其中芯模(如圖9c所示)設(shè)計成兩段式，以便于在管件成形后取出芯模，在芯模的中間連接處只有定位銷釘和定位孔，便于將兩段芯模準確連接在一塊。同時在兩段芯模貼合處的端面留有間隙，便于氣體的排出。合模后如圖9d所示，在模具外加一個外圈，外圈的作用一是保證芯模的凹陷處與三通模具的上端口對準，二是保證芯模的對接處不會因為受到擠壓而分離，三是加固兩模具的貼合。

圖8 模擬壁厚分布曲線

圖9 實驗設(shè)備及模具

從有限元仿真得出的結(jié)果可知，當(dāng)采用硬度為90 HA的橡皮時，貼模效果最佳。選用硬度為90 HA的聚氨酯橡皮進行實驗，得到圖10所示兩種結(jié)果。對圖10a、圖10b沿圖中畫線處進行切割，將切割后的管件按照圖7標記(如圖10c、圖10d)并測量壁厚，測出每個點的壁厚并繪制壁厚分布圖，如圖11所示，與有限元分析結(jié)果進行對比。

實驗結(jié)果表明，在使用硬度為90 HA橡皮的情況下，當(dāng)液壓機進給量與有限元仿真中頂頭下降的距離同為12 mm時，鋁管的貼模度為0.72 mm，銅管貼模度為0.83 mm，比較符合有限元仿真后的結(jié)果，同時滿足貼模度要求。從圖11可以看出，鋁管與銅管的壁厚增減趨勢基本一致。經(jīng)過計算，鋁管實驗壁厚增減率是4.8%和2.9%；銅管實驗壁厚增減率是1.36%和0.6%，鋁管比銅管的壁厚增減變化更明顯。鋁管、銅管的壁厚增減率在該情況下均小于5%，不會造成該導(dǎo)管在傳輸液體時因壁厚的減薄發(fā)生破裂而導(dǎo)致漏液的情況，滿足實際需求。

圖10 鋁管和銅管實驗結(jié)果

圖11 實驗和仿真厚壁分布對比圖

4 結(jié)論

(1)ABAQUS仿真模擬結(jié)果表明：當(dāng)使用同種材料的管件進行仿真時，頂頭的位移和橡皮硬度越大，頂頭所受到的反壓力越大，貼模度H的值越小，成形效果也越好；對不同材料的管件進行仿真時，在頂頭位移和橡皮硬度均相同的情況下，鋁管的貼模度要優(yōu)于銅管。實驗也驗證了銅管的H值要稍大于鋁管的H值。

(2)實驗和有限元分析表明：銅管與鋁管的壁厚分布也基本一致。對于軸向，壁厚從最中間點的略微增厚再逐漸減薄，經(jīng)過最后的過渡區(qū)域逐漸恢復(fù)至初始壁厚。在徑向方向，壁厚先出現(xiàn)小范圍的減薄，再增厚至超過初始壁厚，最后與原壁厚趨于一致。

(3)實驗與仿真的壁厚增減率均控制在5%以內(nèi)，成形過程中壁厚沒有明顯的增厚或減薄，與預(yù)期成形效果相符合。表明橡皮成形的方法適合導(dǎo)管避讓槽成形。本文使用有限元軟件仿真與實驗方法可以對實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)，為飛機減重和擴大導(dǎo)管集中分布處的空間提供了新方法。