复杂振动工况下航空管路接头的跨尺度密封失效分析与试验评估

《Engineering Failure Analysis》：Cross-scale sealing failure analysis and experimental assessment of aviation pipe fittings under complex vibration conditions

　　

•方向分辨的弹塑性跨尺度模型将振动与微泄漏关联起来。•循环振动改变了泄漏主导通道和最高风险相位。•高预紧力在弯折和耦合振动下触发泄漏反弹。•均方根粗糙度加倍使平均泄漏放大29–36倍，并掩盖了振动模式效应。

引言

作为飞机的"动力心脏"和"循环系统"，航空液压系统的运行可靠性直接决定飞行安全[1], [2]。然而，在发动机高频运行和气流扰动引起的复杂振动环境下[3], [4], [5]，管路接头由于应力集中而成为系统中最薄弱的环节。源于这些管接头的密封失效已成为液压系统故障的主要原因之一[6], [7], [8]。在军用和民用飞机液压回路中采用的各种连接类型中，扩口管路接头因其结构紧凑、安装简便、设计轻量以及良好的金属对金属密封特性而被广泛采用[9]。然而，在持续振动载荷作用下，这些接头的内部接触状态会发生复杂的动态演化，极易导致接触压力沿周向分布不均匀、螺纹预紧力松弛以及微观尺度的界面微动分离。这些渐进变化最终导致密封完整性退化，并引发不可逆的泄漏[10], [11]。因此，阐明振动环境下管路接头的密封失效机理并建立高保真的泄漏预测模型，对于提高航空液压系统的抗振可靠性设计具有重要的理论意义和工程价值。

在宏观力学特性方面，有限元分析已成为研究管路接头接触行为的主要方法。已有大量研究围绕装配过程中的应力演化、预紧扭矩的影响以及结构参数优化展开[12], [13], [14], [15], [16]。然而，这些研究主要关注静态装配条件下的密封行为，对实际服役环境中常见的复杂动态振动载荷考虑不足。近年来，越来越多的研究关注振动对管路接头密封性能的退化效应。Jiang等人[17]深入分析了横向振动下接头界面的自松脱机理，并确定了螺纹接触面上的微动滑移是预紧力降低的根本原因。Pai等人[18]通过横向剪切动态加载试验表明，横向载荷的引入显著加速了结构松脱。Deng等人[19]进行了振动频率扫描实验，分析了不同压力和流体流速下密封管路系统的模态分布。他们进一步对不同振动载荷循环次数的管路接头进行了实验，揭示了不同拧紧扭矩下密封界面的微磨损行为。Yu等人[20]基于能量耗散理论建立了高端管路接头在模态振动下的有限元模型。他们阐明轴向位移幅值的增加加剧了密封面上的能量耗散，从而降低了法向接触压力和有效密封长度，最终损害密封完整性。然而，上述研究主要集中于单向振动模式或防振结构设计的特定改进。在实际飞行运行中，耦合横向和旋转弯折振动条件是普遍存在的。然而，对此类条件下密封性能演化以及振动引起的微泄漏通道动态重构机理的全面理解仍然明显缺乏。

在微观尺度接触和泄漏预测方面，传统宏观模型通常无法直接量化泄漏率。因此，接触力学和渗流理论已成为当前研究的焦点。经典的Greenwood–Williamson（GW）统计模型[21]和基于分形的Majumdar–Bhushan（M?B）模型[22]已为表征多尺度表面接触行为奠定了理论基础。同时，Persson提出的临界渗流模型[23], [24]有效阐明了界面泄漏通道的形成和演化机理。为克服极端工况下金属密封的预测局限，这些经典理论已被进行了高级扩展。在机理驱动建模领域，近期研究将分形理论与混合接触模型相结合，系统揭示了微拓扑结构、装配载荷和流体压力对泄漏通道演化的耦合效应，从而明确了接触压力分布对流通通道收缩的抑制机理[25], [26]。为进一步提高预测保真度，Pérez-Ràfols等人[27]通过对金属密封面上的多尺度表面拓扑进行深入表征，证实了多维拓扑描述符在捕捉高压渗流特性方面的鲁棒性。从数值实现角度，Liu等人[28]进一步基于共轭梯度法和快速傅里叶变换优化了接触力学求解框架。此外，Wang等人[29]利用统计原理构建高斯分布粗糙表面，通过共轭梯度法实现弹塑性接触计算，并实验验证了三维微观尺度泄漏通道的演化规律。

然而，目前关于航空管路接头在复杂振动环境下密封性能的研究仍存在明显局限。首先，微观渗流模型主要基于准静态边界假设，从而忽视了振动引起的界面接触状态变化，使得泄漏率的准确量化难以实现。其次，现有研究大多局限于单向振动模式，对现实耦合激励条件下的失效机理探索不足，因此难以描述复杂运行场景下的密封行为[30]。针对航空扩口管路接头，本研究采用理论建模、数值模拟和不同振动模式下的实验评估相结合的方法，系统研究了复杂振动环境下的密封演化特性。表1将本研究的范围与本文中已引用的相关研究进行了对比定位。本研究建立了一种弹塑性跨尺度框架，其中来自四个代表性周向方向的局部接触状态分别输入粗糙度分辨的泄漏计算中，并通过三种振动模式下的实验评估了振动路径依赖性。

本研究的主要贡献如下：

（1）开发了一种方向分辨的跨尺度流程，其中来自四个代表性周向方向的局部弹塑性接触状态作为粗糙度分辨泄漏模型的输入，而非使用单一的标称压力或周向平均压力。这使得振动引起的局部卸载和压缩得以在泄漏计算中保留，并揭示了原本会被环形平均值掩盖的局部泄漏风险。

（2）在本研究考虑的四个代表性周向位置中，泄漏主导的采样通道在循环振动过程中并非固定不变。随着局部接触压力分布的演化，最易渗透的采样方向以及对应的最高风险相位在载荷历程中可能发生变化。这一行为在0.4 mm案例中最为明显，该案例表现出最强的后期循环变异性，并表明泄漏无法仅通过单一选定相位或平均接触压力来可靠表征。

（3）识别了两个具有实际重要意义的参数效应。在静态条件下，增加预紧力持续降低泄漏，但在旋转弯折和耦合振动下，高预紧力会导致泄漏反弹。此外，将面积均方根粗糙度从0.8增加到1.6 μm会使平均泄漏增加约29–36倍，使得在粗糙度高时振动模式的影响变得次要。

章节片段

扩口管路接头的有限元网格生成

所研究的航空扩口管路接头包括接头体、联锁螺母、套筒和扩口管（图1）。公称管径为6 mm，密封界面由5A02扩口管与2A12锥体之间形成。修正后的有限元模型保留了这四个可变形承力部件，并采用结构化的周向-轴向离散化以避免密封带中的畸变单元。详细的螺旋螺纹有限元建模已[原文截断]

密封面上粗糙微拓扑的数值构建

为以受控的数值方式表征粗糙表面接触，为密封面生成了具有规定高度分布和空间相关的统计微拓扑。工程实践中遇到的加工粗糙表面通常表现出自仿射特性，即在不同空间尺度上呈现出相似的统计规律性。对于给定的表面高度函数z(x, y)，其空间相关性可通过自相关[原文截断]

结果分析

图8比较了振动前和各0.3 mm振动路径第五周期风险相位的修正弹塑性压力场。初始状态近似轴对称，而振动产生了模式依赖的周向重分布。在第5周期时，横向、旋转弯折和耦合载荷分别产生最大接触压力265.63、279.97和309.16 MPa。相应的体积加权95百分位等效塑性应变[原文截断]

静态密封试验与趋势级别评估

使用专用试验平台评估数值框架是否重现了预紧力和振动前后的主要趋势。实验测试平台如图19所示。静态和振动后试验作为趋势级别证据，用于说明随着拧紧扭矩增加泄漏的降低，以及周期性激励后泄漏随振动模式的变化。

图20显示随着拧紧[扭矩增加]，测量的静态泄漏呈非线性下降[原文截断]

结论

开发了一种弹塑性宏观-微观跨尺度框架，用于研究航空扩口管路接头在横向、旋转弯折和耦合振动下的密封失效。主要结论如下：

（1）在所研究的四个代表性周向位置中，泄漏响应由局部方向性泄漏通道的演化所控制，而非仅由平均接触量控制。横向振动产生最高的[原文截断]

CRediT作者贡献声明

Lu Zhongtian（卢中天）：撰写——初稿、形式分析、数据整理。Gong Hao（宫浩）：撰写——审阅与编辑、方法论。Liu Jianhua（刘建华）：资金支持获取。Zhang Wentao（张文涛）：撰写——审阅与编辑、指导监督。Zhao Penghao（赵鹏浩）：验证、概念化。Tan Zhengyue（谭正越）：软件、项目管理。

资金支持

本工作得到国家自然科学基金（批准号U2341274、52475509和U22A20203）和北京市自然科学基金（批准号L248005）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢所有在模型开发和实验测试过程中提供技术援助的同事。

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