管路裝配路徑優化及有限元仿真分析

摘要：作為輸送系統的關鍵結構，管路結構廣泛應用于發動機以及推進系統內。然而，管路裝配同樣存在裝配合理性的問題，為此，首先采用有限元方法仿真了管路裝配過程中的應力分布情況。結果表明，針對不同裝配路徑，裝配應力出現區域有所不同，這也體現了管路裝配路徑優化的必要性。最后，根據有限元仿真結果插值得到了應力的三維立體分布，并針對彎管固支端及拐點處的應力情況優化了裝配路徑。

關鍵詞：管路裝配 裝配工藝 路徑優化 有限元仿真

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2015）07（c）-0000-00

Optimization of pipe assembly path planning based on finite element simulation analysis

WANG Junli1，FENG Jing1，ZHANG Shuo2

（1Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office，SIPO，100190，Beijing，CHN； 2Dalian Songliao Ship Factory， Dalian，116000，CHN）

Abstract： As one of the particular features in transfer system， pipe is widely used in aero-engine and satellite propulsion system areas. In order to solve the difficult problem of assembly path planning of pipe， the stress distribution is simulated by finite element analysis. The results show that the maximal stress area appeared in different place with different assembly process. This directly shows the importance of the research on optimization of pipe assembly path. The three-dimensional distribution of the stress has been calculated with interpolating based on the simulated results. Finally， the assembly path is optimized by gradient searching search strategy.

Keywords： Pipe assembly technology； Assembly path plan； Path optimization； Finite element simulation

裝配是產品生命周期的重要環節，同時也是制約產品質量和批量生產能力提升的薄弱環節[1]。不合理的裝配過程將直接導致裝配應力的產生，影響到裝配工藝、裝配精度和產品的使用壽命。

管路結構大量應用于航空、航天、船舶和汽車工業中，而彎管是核心組成部分之一[2]。由于管路的形式、管徑、長度參數不一，其裝配過程較為復雜，且可能存在大位移強制裝配過程。張根保等人研究了加工中心數控轉臺可靠性強化試驗方法，指出當管路裝配不當時，可能引起液壓系統的管路接頭外泄和自制夾緊缸的內泄[3]。同樣，在風力機械中管路裝配可能引發設備漏油，使系統壓力下降、執行機構速度不穩定、系統效率降低、油溫升高、引起控制失靈、導致元件損壞等后果[4]。針對這一問題，劉檢華等人提出無應力裝配的概念，采用虛擬技術，從過程和物理特性的角度實時地模擬裝配現場和裝配過程中可能出現的各種問題和現象，為實現產品的科學裝配和裝配質量預測提供了有效途徑，可以大幅度減少裝配應力[1]。劉密等人針對復雜結構條件下的零部件裝配路徑自動求解困難的問題，提出基于障礙和貪心規則的快速擴展隨機樹算法，并對求解得到的初始裝配路徑，提出運用分段線性擬合的方法進行路徑自動優化[5]。

針對彎管的裝配過程，對裝配過程中彎管受力及應力分布情況做了有限元分析，并以此為依據對管路不同的裝配工藝進行了研究。最后，通過有限元結果，利用插值細分網格提取了裝配過程中的應力分布情況，并優化了裝配路徑。

1 管路模型

管路模型如圖1所示，該結構為直角彎管，水平段（AO）長度為1100mm，垂直段（BO）長度為300mm，彎曲半徑R為100mm。其裝配過程為：將A端固定，在XY平面內，B端沿XY方向分別拉伸5mm至B’點，固定B端。在B點（0，0）到B’點（2，5）的裝配過程中，可以有多種路徑選擇，也同樣引起管路應力分布的變化，針對管路不同區域的應力要求需要優化裝配路徑。

圖1 管路模型

為使B端運動至B’位置，需要施加載荷形式及彎矩，可以根據虛功原理計算出梁的位移和轉角[6]。同樣可以求出在不同組合載荷下的變形，從受力狀態分析，梁所受的應力為彎曲和軸向載荷的組合，在梁的變形過程中，由于管路較為細長，彎曲撓度會引起軸向力作用線的變化，致使軸向力產生附加彎矩，故在形變過程中軸向效應及彎曲效應之間存在耦合作用。

2有限元仿真結果

采用有限元仿真軟件分析了B點產生位移后的應力分布，有限元分析過程中A點固支，B端施加位移載荷。圖2為B沿X及Y分別運動5mm（B’位置）后的應力分布情況，最大應力出現在彎角位置，其值為133MPa，應力由拐角向X及Y負方向逐漸減小。水平段應力分布較為均勻，沿中性層至截面邊緣逐漸增加，也符合材料力學理論。

圖3為B點X方向移動1mm，Y方向移動4mm后的應力分布情況，可以明顯看出，雖然拐角處的應力較大（最大為71.1MPa），但結構的最大應力出現在固支端（A端），為88.5MPa，水平段中間靠近拐角位置的應力最小。固支端應力集中的原因在于，當Y方向位移遠大于X方向位移時，固支端受較大彎矩及軸拉的綜合作用，而拐角處的彎矩不大。

對比圖2及圖3，B端處于不同位置時，結構的應力分布存在很大變化，而且最大應力出現位置不一。當管路A端材料許用應力較高時，需要針對拐角的應力對B端運動路徑優化，反之，當A端材料許用應力較小時，需要針對A端優化B段路徑。

在B點向B’點的移動過程中，固支端的應力及裝配路徑優化如圖4所示。首先將應力的空間分布沿y軸作投影，選擇每條應力曲線的最小值作為路徑通過點。然后，將應力點向空間映射，得到應力的空間優化路徑。

可以明顯看出，在終點位置（x=5mm，y=5mm）時，固支端的應力僅為33.6MPa，而部分區域應力均大于這一值，如在位置x=0mm，y=5mm時固支端位置應力最大到138MPa，這也充分證明此裝配過程路徑優化的必要性。從分布趨勢來看，應力沿直線BB’向兩側增加，但沿y方向增加較為迅速。

圖4 固支端應力分布及裝配路徑優化

圖5 為拐點應力分布及裝配路徑優化，其分布趨勢與固支端較為一致，沿直線BB’向兩側逐漸增加，最大應力出現在（x=5mm，y=0mm）處為235MPa，該值遠大于133MPa。此數據表明，當拐角處許用應力為133MPa時，合理的路徑可以完成裝配，而不合理的裝配將破壞結構使裝配失敗。與固支端不同的是，沿谷帶右下側應力較大，也說明對應不用部位的應力分布區別較大，需要具體部位具體分析。沿直線（x=2.5mm，y=0mm）到（x=5mm，y=5mm）應力相近，此直線左上側應力較小，是裝配路徑選擇區域。

圖5 拐點應力及裝配路徑優化

3結 論

對彎管結構的裝配過程進行了分析，首先從有限元分析的結論得到彎管對應不同裝配位置最大應力分布有所不同，得出需要針對不同位置進行應力優化。研究了拐點及固支點的應力分布，不同位置時二者均有可能出現最大應力，在位置x=0mm，y=5mm時固支端位置應力最大到138MPa，拐點最大應力出現在（x=5mm，y=0mm）處，其應力值為235MPa，這也充分證明此裝配過程路徑優化的必要性。最后，根據應力分布優化了不同位置的最優裝配路徑，使裝配過程中應力小于指定位置的許用應力。

參考文獻

[1] 寧汝新， 劉檢華， 唐承統， 等. 虛擬裝配技術及其應用[J]， 國防制造技術， 2009，4（2）： 22-29

[2] 張天， 唐承統， 劉檢華. 基于多目視覺的彎管空間參數測量方法[J]. 儀器儀表學報， 2013， 34（2）： 260-267.

[3] 張根保，許智，何文輝，等. 加工中心數控轉臺可靠性強化試驗方法研究[J].中國機械工程， 2011，22（8）：948-951.

[4] 張瑞剛，龔帥，趙勇，等. 風力機漏油原因分析及控制措施[J].電網與清潔能源， 2013， 29（2）：67-70.

[5] 劉密， 劉檢華， 何永熹， 等.復雜結構條件下的裝配路徑求解與優化技術[J]. 機械工程學報， 2013， 49（9）：97-105

[6] 李肇飛. 材料力學[M]，北京：國防工業出版社，2004.