考虑成形工艺因素的航空液压钛合金管疲劳寿命分析

《Forces in Mechanics》：Fatigue life analysis of aircraft hydraulic titanium-alloy tube considering the influence of forming process factors

　　

研究人员以典型弯曲钛合金管为研究对象，采用流固耦合（FSI）有限元方法研究了弯曲钛合金管在压力脉动载荷下的动态响应特性。针对典型弯曲钛合金管模拟了其弯曲成形过程，考察了弯曲半径对弯曲管椭圆度与壁厚减薄率的影响。在考虑弯曲成形工艺影响的基础上，分析了不同弯曲半径对管件脉动疲劳寿命的影响，并最终提出了推荐的弯曲半径。研究结果表明：对于理想弯曲管模型，弯曲段的压力脉动幅值较管入口和出口高出约10.991%，弯曲段应力显著高于直管段，但最大等效应力幅值仍低于疲劳极限，不会发生疲劳失效。随着弯曲半径由3.5D增大至4.5D，弯曲起始处壁厚减薄率由8.371%降至6.580%、椭圆度由9.697%降至8.605%，弯曲末端减薄率由6.479%降至5.185%、椭圆度由9.863%降至8.504%。计入成形工艺后，3.5D管的最大应力由249.14 MPa升至606.23 MPa（内壁），增幅达143.79%，应力波动范围扩大115.38%，最大应力出现在外壁减薄处及截面畸变引起的最大曲率位置。增大弯曲半径可有效降低应力水平并缩小应力波动范围：外壁应力范围由3.5D的[506.64, 622.35] MPa收窄至4.0D的[464.91, 578.43] MPa和4.5D的[447.02, 549.15] MPa。在35 MPa（10%）脉动载荷下，考虑成形工艺的3.5D管在8.971×10⁵次循环时失效，而4.0D和4.5D管均超过10⁷次循环。因此，建议35 MPa系统用Φ8 mm×0.6 mm TA18液压钛合金管的最小弯曲半径取4.0D。

**研究背景与意义**

液压系统是飞机实现高机动飞行作动、刹车作动以及起落架收放的高性能轻量化系统，提高其功重比已成为发展趋势。液压管路遍布全机、总长可达数千米，占液压系统总重的30%–50%，轻量化潜力巨大。目前飞机高压管路主要采用不锈钢制造，而钛合金凭借低密度、耐高温、耐腐蚀、高强度等优势，以钛合金替代不锈钢制造液压管路可在同等耐压强度下使管路系统减重达50%。飞机管路主要承受液压系统压力、压力脉动及随机振动等载荷，其中压力脉动由液压系统柱塞泵工作产生，对管路系统破坏性尤为突出。现有管路疲劳研究多集中于不锈钢管路，已形成结构设计与性能分析等技术准则；而轻量化设计的钛合金管材料特性与不锈钢管差异显著，弯曲成形所致管件缺陷亦不一致。目前钛合金管研究多聚焦于改进成形工艺以提升制造精度，鲜有研究关注钛合金管在航空高频高压脉动载荷下的性能，尚未建立专门的钛合金液压管设计与应用标准。此外，制造工艺引入的残余应力会改变构件后续疲劳性能。鉴于此，研究人员以典型弯曲钛合金管为对象，基于流固耦合有限元方法研究其在脉动压力载荷下的动态响应并计算疲劳寿命，进而通过管路成形仿真研究弯曲工艺对疲劳寿命的影响，并基于高压脉动载荷下航空液压管安全运行要求开展工艺设计。该工作的新颖性体现在两方面：将弯曲成形工艺影响纳入管件疲劳评估，并针对飞机受限安装空间建立弯曲半径设计建议。研究结果对钛合金材料在航空领域的广泛应用、实现飞机液压系统轻量化与高功重比设计以及提升整体性能具有重要意义。

**关键技术方法**

研究人员采用流固耦合有限元方法分析弯曲钛合金管在压力脉动载荷下的动态响应；建立弯曲管内部流体域计算流体动力学（CFD）仿真模型，模拟泵致压力脉动；采用Workbench平台通过System Coupling模块实现流场与结构场压力与位移数据双向传递的瞬态耦合计算；基于应力—寿命（S-N）疲劳理论，采用雨流计数法与Miner损伤累积法在nCode软件中计算疲劳寿命，并采用抛物线Gerber法进行平均应力修正；采用显式动力学求解器模拟钛合金管弯曲成形过程，提取成形后单元与节点信息构建结构模型与流体域模型，考察弯曲半径对椭圆度与壁厚减薄率的影响。研究中TA18钛合金材料性能由单轴拉伸试验获得，仿真采用9柱塞泵、转速3900 r/min，脉动基频585 Hz。

**研究结果**

2.1 弯曲管压力脉动计算：通过理论分析建立弯曲管压力脉动函数表达式，并构建CFD仿真模型进行数值模拟。结果表明，监测点（弯曲轴线中点）压力幅值较入口高约10.991%，入口与出口、出口与监测点间绝对相位差均约为0.294个周期；仿真所得脉动幅值与理论结果基本一致，最大误差仅1.08%，验证了仿真模型计算弯曲管路压力脉动的高精度。

2.2 弯曲管脉动载荷下疲劳计算：以90°弯曲钛合金管为对象，采用流固耦合方法分析其在压力脉动载荷下的强度并基于应力响应数据计算疲劳寿命。强度分析表明，高应力主要集中于卡箍附近及弯曲段内侧，最大von Mises应力为260.83 MPa；提取弯曲段内侧节点应力，其随脉动压力周期性变化，最大应力270.65 MPa、最小应力218.43 MPa。基于TA18的S-N曲线，采用雨流计数法与Miner损伤累积法计算，该管在35 MPa脉动循环载荷下寿命超过10⁷次循环，视为无限寿命，服役期内不发生疲劳失效。

3 考虑弯曲成形工艺影响的脉动疲劳分析：建立了包含弯曲模、夹块、压模、芯棒与TA18直管的弯曲成形有限元模型。结果表明，Φ8管以3.5D弯曲半径弯曲后壁厚减薄率为8.371%、椭圆度为9.863%，满足AMS 4944E标准。将成形后模型用于流固耦合动态强度分析，应力分布发生显著变化：外壁减薄处出现最大应力点，最大值622.35 MPa；弯曲段内侧两侧截面畸变引起最大曲率位置应力显著高于其他区域，外壁应力波动范围[506.64, 622.35] MPa，内壁[489.16, 608.74] MPa。疲劳分析表明，考虑成形工艺影响后管件最小疲劳寿命N=8.971×10⁵，位于弯曲段末端，不满足服役要求，实际服役中会发生疲劳失效。

4 弯曲半径对强度与疲劳性能的影响：对4D与4.5D弯曲半径管开展90°弯曲成形仿真及流固耦合强度与疲劳分析。结果表明，随弯曲半径增大，弯曲区壁厚减薄率与椭圆度均显著下降；由于弯曲载荷施加于距管端50 mm处引起首次曲率变化，该位置减薄率略高于弯曲段其他区域。4D模型外壁应力波动范围[464.91, 578.43] MPa、内壁[461.13, 566.61] MPa；4.5D模型外壁[447.02, 549.15] MPa、内壁[433.31, 527.14] MPa。4D与4.5D管在脉动压力循环载荷下寿命均超过10⁷次循环，视为无限寿命。

**讨论与结论**

讨论部分对比了不同弯曲半径管件的成形精度、强度与疲劳寿命。成形结果表明，随弯曲半径增大，弯曲区壁厚减薄率与椭圆度均显著下降。强度对比表明，3.5D理想弯曲管内壁最大应力为270.15 MPa，而成形后管件内壁最大应力达597.77 MPa，远高于理想管；增大弯曲半径可有效降低管件应力并收窄应力波动范围。疲劳寿命对比表明，弯曲半径增至四倍外径时，管件在35 MPa、10%压力脉动载荷下即可达到无限寿命，完全满足安全设计目标期望；为兼顾管路系统集成需求与尽可能长的疲劳寿命，弯曲半径应尽可能小，因此建议后续35 MPa系统液压管路设计采用4D弯曲半径，以确保管路系统长期稳定可靠。

研究结论如下：1）对于理想弯曲管模型，弯曲段压力脉动幅值较管入口和出口高10.991%，弯曲段应力显著高于直管段，但最大等效应力幅值仍低于疲劳极限，不发生疲劳失效。2）随弯曲半径由3.5D增至4.5D，弯曲起始处壁厚减薄率由8.371%降至6.580%、椭圆度由9.697%降至8.605%；弯曲末端减薄率由6.479%降至5.185%、椭圆度由9.863%降至8.504%。3）计入成形工艺使3.5D管内壁最大应力由249.14 MPa升至606.23 MPa，增幅143.79%，应力波动范围扩大115.38%，最大应力出现在外壁减薄处及截面畸变引起的最大曲率位置。4）增大弯曲半径可降低应力水平并收窄波动范围：外壁应力范围由3.5D的[506.64, 622.35] MPa收窄至4.0D的[464.91, 578.43] MPa和4.5D的[447.02, 549.15] MPa。5）在35 MPa（10%）脉动载荷下，考虑成形工艺的3.5D管于8.971×10⁵次循环失效，而4.0D与4.5D管均超过10⁷次循环，因此建议35 MPa系统中Φ8 mm×0.6 mm TA18液压钛合金管的最小弯曲半径取4.0D。