航空燃油管路焊缝分区域建模及其对管路力学特性影响研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2025.09.002

摘要/Abstract

摘要：

飞机燃油管路包含弯管、分支管和焊缝等多种结构，在外部载荷及内部流体耦合作用下表现出复杂的流固耦合力学行为。通过金相检测和微拉伸试验获取了焊接区域的微观结构参数，构建出具有不同局部结构的高精度燃油焊接管路有限元模型。模态试验结果表明，试验与仿真误差小于10%，验证了建模和仿真的准确性。针对不同分支管弯曲半径及不同管径比开展其对管路力学特性影响研究，发现增大弯曲半径和管径比有助于使管路内流速场和压力场分布更加均匀，固有频率会随弯曲半径的增大而降低；当弯曲半径减小但管径比增大时，随机振动应力峰值下降。采用对焊缝精确建模的燃油管路模型，剖析局部结构对管路力学特性的影响，可为管路设计和优化提供依据。

关键词: 相贯焊接燃油管路, 精细化建模, 局部结构, 流固耦合振动, 力学特性, 模态试验

Abstract:

Aircraft fuel lines contained various structures such as bends， branches and welded seams， which exhibiedted complex fluid-solid coupling mechanics behaviors under external loads and internal fluid coupling. The microstructural parameters of the welded areas were obtained through metallographic testing and microtensile testing， and a high-precision finite element model of the welded fuel lines with different local structures was constructed. The modal test results show that the errors between tests and simulations are less than 10%， which verify the accuracy of modelling and simulation. The effects of different branch pipe bending radii and pipe diameter ratios on the mechanics properties of the pipelines were investigated. It is found that increasing the bending radii and pipe diameter ratios may help to make the distribution of the flow velocity and pressure fields in the pipelines more uniform， and the intrinsic frequency decreases with the increase of the bending radius； and when the bending radius decreases but the pipe diameter ratio increases， the peak of the random vibratory stresses decreases. The applications of a fuel line model that accurately models welded seams to analyze the effect of local structures on the mechanics properties of the line may provide a basis for line design and optimization.

Key words: coherently welded fuel line, refined modeling, local structure, fluid-solid coupling vibration, mechanics property, modal test

中图分类号:

V228

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图/表 30

图1 试验件及焊接区域金相图

Fig.1 Test piece and welded area metallograph

图2 相贯焊试验件焊接区域尺寸示意图

Fig.2 Schematic diagram of weld area dimensions for coherence welding test piece

表1 焊接区域尺寸参数

Tab.1 Welding area size parameters

参数	尺寸/mm
焊缝厚度l₄	2.60
直角焊缝支管热影响区宽度l₅	7.81
直角焊缝主管热影响区宽度l₆	8.02
外侧余高h_C	0.72
外侧宽度l₃	6.61
A点高度h_A	0.20
A点距中线距离L_A	1.76
B点高度h_A	0.31
B点距中线距离l_B	3.15
平角焊缝支管热影响区高度l₁	4.74
平角焊缝主管热影响区高度l₂	6.06

表2 各区域材料性能参数

Tab.2 Material performance parameters by region

区域名称	弹性模量/MPa	泊松比
母材区	75 000	0.35
焊缝区	81 800	0.32
热影响区	74 000	0.29

图3 管路焊接区域模型

Fig.3 Pipe welding area model

表3 管路结构参数

Tab.3 Pipe structure parameters

参数	设计数据/mm
主管路与分支管路外径D_w	31.75
主管路与分支管路内径D_n	29.97
主管路长度L_u	550
主管路端面距支管路轴线垂直距离L_z	350
支管路直管长度L_i	150
支管路弯曲半径R_z	116
卡箍与管路接触部分宽度B_j	15
支管卡箍端面距主管路端面距离L_k	30
直管卡箍端面距支管路弯头端面距离L_d	20

图4 燃油焊接管路实体域物理模型

Fig.4 Physical model of fuel weld line solid domain

图5 管路与卡箍、支架装配图

Fig.5 Piping with clamps and brackets assembly diagram

图6 燃油焊接管路流体域模型

Fig.6 Fluid domain model of fuel weld line

表4 管路各区域及零部件网格质量

Tab.4 Grid quality of pipeline regions and components

名称	单元质量	纵横比	正交质量	偏斜度	网格质量
固体域	0.648	2.438	0.876	0.438	优
流体域	0.793	1.977	0.915	0.151	优
卡箍	0.876	1.646	0.953	0.003	优
螺栓螺母	0.928	1.379	0.702	0.219	优
支架	0.825	1.883	0.991	0.244	优

图7 管路、卡箍及支架网格模型

Fig.7 Mesh modeling of pipes， clamps and brackets

图8 多参数和多节点下网格无关性验证

Fig.8 Verification of mesh-independence under multi-parameter and multi-node

图9 固体边界条件设定

Fig.9 Solid boundary condition setting

图10 支管不同弯曲半径管路模型

Fig.10 Modelling of pipelines with different bending radii for branch pipes

图11 不同弯曲半径下弯管区域横截面速度场分布

Fig.11 Velocity field distribution in the cross-section of the bend region under different bending radii

图12 不同弯曲半径下弯管区域横截面压力场分布

Fig.12 Pressure field distribution in the cross-section of the bend region under different bending radii

图13 不同弯曲半径下弯管内壁面应力曲线及应力

Fig.13 Stress curves and stress diagrams of the inner wall surface of the pipe under different bending radii

图14 不同弯曲半径下管路前20阶固有频率对比

Fig.14 Comparison of the first 20 orders of intrinsic frequency of the pipeline under different bending radii

图15 不同弯曲半径下监测点应力-频率响应曲线

Fig.15 Stress-frequency response curves at monitoring points under different bending radii

图16 支管与主管不同管径比模型

Fig.16 Modeling of different pipe size ratios for branch and mains

图17 不同管径比下流体域横截面速度场分布

Fig.17 Cross-sectional velocity field distribution in fluid domain under different pipe diameter ratios

图18 不同管径比下流体域横截面压力场分布

Fig.18 Cross-sectional pressure field distribution in fluid domain under different pipe diameter ratios

图19 不同管径比下流体域竖截面速度场分布

Fig.19 Vertical sectional velocity field distribution in fluid domain under different pipe diameter ratios

图20 不同管径比下管路流体域横截面压力场分布

Fig.20 Cross-sectional pressure field distribution in pipeline fluid domain under different pipe diameter ratios

图21 不同管径比下管路弯管区域应力分布云图

Fig.21 Stress distribution of pipe bending region under different pipe diameter ratios

图22 不同管径比下管路前20阶固有频率对比

Fig.22 Comparison of the first 20 orders of intrinsic frequency of pipelines under different pipe diameter ratios

图23 不同管径比下监测点应力-频率响应曲线

Fig.23 Stress-frequency response curves at monitoring points under different pipe diameter ratios

图24 模态试验件及管路安装

Fig.24 Modal test piece and piping installation

图25 自由模态试验与仿真固有频率对比

Fig.25 Comparison of intrinsic frequencies between free mode test and simulation

图26 约束模态试验与仿真固有频率对比

Fig.26 Comparison of intrinsic frequencies between constrained modal test and simulation

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