飛機導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 a.航空宇航學院,b.航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室,沈陽 110136)

飛機質量特性是飛機的固有特性之一，飛機質量的設計是否合理直接關系到飛機的性能、成本和安全[1-3]。在飛機的導管系統中(如圖1)，存在導管間相互交叉的情況，通常會采用延長其中一根導管來避開另外一根和其他多根導管的方式，但采用這樣的方式會帶來局部空間緊張，增加飛機自身質量等問題，在導管拆卸維修時，也會造成一定的麻煩。因此，為了滿足當前航空導管系統減輕質量、提高使用壽命的要求[4]，在導管交叉處，制造出相應尺寸的導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 導管交叉情況

橡皮成形的原理是用橡皮作為彈性的凸模或者凹模，和一般的沖壓、落壓工藝相比，具有生產效率高、表面質量優、操作安全可靠、工裝成本低等優點[5]。目前關于導管彎制加工工藝和板料的橡皮成形的研究較多[6-9]，而對于導管避讓槽的成形工藝研究較少，因此本文對導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果進行預測，通過對仿真的分析計算選出合適的實驗參數，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、壁厚分布規律，壁厚增減率等數據，驗證了導管成形有限元模型的有效性，對實驗有指導性的意義。

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平放待成形的管件，在管件內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三通模具的上方開口處。在模具上端型腔內，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壁發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創建模擬過程所需要的全部零件的數模。其中模具模型(如圖3a)簡化為內徑均為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、內徑為21 mm、外徑為24 mm。將上述零件導入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本構模型[14-15]，模型參數中的C10和C01是通過ABAQUS擬合橡皮單軸壓縮實驗測得的應力-應變曲線而得出的(單壓實驗如圖4)，得出的數據如表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，采用六面體網格，網格大小為1 mm。管件的材料分別選用6061鋁和H85黃銅，參數見表2、表3所示，管件也被定義為體單元，采用六面體網格，網格大小為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

2.2 有限元結果分析

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束后，芯模與管徑內壁尚有部分間隙留存?，F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，規定當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。

表4 不同硬度橡皮下情況貼模度與進給量的關系表

圖7 壁厚測量點位圖

3 實驗和實驗結果分析

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 實驗設備及模具

從有限元仿真得出的結果可知，當采用硬度為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，與有限元分析結果進行對比。

實驗結果表明，在使用硬度為90 HA橡皮的情況下，當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%，不會造成該導管在傳輸液體時因壁厚的減薄發生破裂而導致漏液的情況，滿足實際需求。

圖10 鋁管和銅管實驗結果

圖11 實驗和仿真厚壁分布對比圖

4 結論

(1)ABAQUS仿真模擬結果表明：當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，經過最后的過渡區域逐漸恢復至初始壁厚。在徑向方向，壁厚先出現小范圍的減薄，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，成形過程中壁厚沒有明顯的增厚或減薄，與預期成形效果相符合。表明橡皮成形的方法適合導管避讓槽成形。本文使用有限元軟件仿真與實驗方法可以對實際生產提供指導，為飛機減重和擴大導管集中分布處的空間提供了新方法。