CN116541949A - 一种在拓展域内管路布局设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在拓展域内管路布局设计方法，属于航空航天飞行器管路布局设计领域。本发明方法对管路的布局空间进行拓展，然后在拓展域内进行管路布局设计并获得了不同设计方案管路的固有频率。实现了在空间限制时考虑重量和振动的管路布局设计的方法。避免了盲目性和经验性，为飞行器管路结构的动力学正向设计提供了参考。

Description

一种在拓展域内管路布局设计方法

技术领域

本发明属于航空航天飞行器管路布局设计领域，具体涉及一种在拓展域内管路布局设计方法。

背景技术

航空航天飞行器中的管路系统(包括液压、燃油、空气等管路系统)是介质和能量传输的通道，管路系统的布局设计需要在有限的空间内进行，同时需要考虑功能、避障、结构强度、维修间距和振动等多方面的要求。所以设计手册或者标准对管路的布局设计的一般性原则做出了规定。

具体到实际工程中，航空航天的管路敷设设计会遇到一种情形，就是若按照手册/标准等所要求的管路管径和直线段时，需要较大的布局可行域。但是，飞行器管路系统敷设空间有时非常狭窄以及障碍等因素的影响，布局可行域所需的空间不能满足。目前这种情形下的管路布局设计多依赖设计人员的经验，盲目性很大，经常会造成反复试凑或者动力学性能不合理等诸多问题。此时需要对管路的布局空间进行拓展，然后在拓展域内进行管路布局设计，在拓展域内的管路布局设计需要重量和振动方面的因素。

发明内容

要解决的技术问题

针对飞行器结构中由于布局空间不足时，本发明提出一种在拓展域内管路布局设计方法，提出了拓展域的概念，并在拓展域内实现了考虑重量和振动的管路布局设计的方法。为飞行器管路结构的动力学正向设计提供了参考。

技术方案

首先需要确定实际空间三维尺寸是否满足管路正常布局可行域尺寸的要求。判断方法为：根据实际管路入口A₀和出口B₀两个接口的坐标(x_A0,y_A0,z_A0)和(x_B0,y_B0,z_B0)，计算实际空间三维尺寸(即为原布局可行域)。

通过管路端口引入方向和引出方向上的直线段(L_s)和弯曲半径(R_b)两个设计参数，判断实际空间尺寸是否大于布局可行域所要求的尺寸，若满足，按原布局可行域实施布局设计。

若实际管路的入口A₀和出口B₀两个接口的三维坐标，在任意一方向上(x,y,z三个方向其中之一)存在小于等于正常布局方向上所要求的尺寸(L_s+R_b)，即出现以下情形之一时，即

|x_B0-x_A0|≤L_s+R_b，或|y_B0-y_A0|≤L_s+R_b，或|z_B0-z_A0|≤L_s+R_b

其中，当某一方向的坐标满足上式时，称为该对应方向上原布局可行域尺寸不足，不能实施正常布局可行域内的管路布局设计。

按照本发明提出的拓展域的概念，在这个对应的某一不足方向上(这里假设y方向上布局尺寸不足)，对原正常布局域进行拓展，拓展方法是从接口处开始，沿着这个不足的方向(y方向)上进行拓展，直至拓展至最小布局面，该最小布局面的确定方法如下：

(|y_A2-y_A0|＞L_s+R_b1)∩(|y_B0-y_A2|＞R_b2+R_b3)

式中，符号“∩”表示“与门”的关系，即同时满足才能符合布局拓展域条件。

经过上述的拓展方法后，得到一个新的长方体的拓展布局域，在拓展域内的管路布局方法是：在最小布局面内确定两个弯折点，且两个折线段的弯折角度≥90°，即可确定出整个管形，该管形的弯折点均在最小布局面内，所以是质量最低且满足手册/规范要求的管形。

获得初步管形后，可以进一步实施进行优化设计，优化目标是确保管路的固有频率避开可能的激励频率，优化设计的方法是：对于平面管形，可以通过调整拓展方向上的直线段长度，来修改管路的固有频率；对于空间管路，可以通过调整两个弯折点C₁和C₂的坐标值来修改管路的固有频率；且为了保证各弯折段角度≥90°的设计要求。两个折线段C₁ C₂、B₂ C₂的长度均应大于两倍的管路弯曲半径，即

(C₁C₂＞2R_b)∩(B₂C₂＞2R_b)

从而实现拓展域内管路布局的动力学优化设计。

有益效果

本发明针对飞行器管路系统敷设空间狭窄以及障碍等因素的影响，原有布局可行域所需的空间不能满足的问题。提出了布局拓展域的概念和最小布局面的确定方法，对管路的布局空间进行拓展，然后在拓展域内进行管路布局设计并获得了不同设计方案管路的固有频率。实现了在空间限制时考虑重量和振动的管路布局设计的方法。避免了盲目性和经验性，为飞行器管路结构的动力学正向设计提供了参考。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1管路出入口引出方向上应考虑直线段和弯曲半径所占据的长度；

图2管路布局域的拓展(平面情形示意图)；

图3入口A₀沿着引入方向(x方向)拓展布局域示意图；

图4在拓展域内进行管路布局设计示意图；

图5三维空间内管路在拓展域内的三种布局方案；

图6平面管路拓展域布局案例；

图7采用拓展域布局方法得到的平面管形；

图8空间管路入口、出口和布局拓展域案例。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

飞行器管路系统(包括液压、发动机管路系统)的敷设一般是在已有的结构基础上完成的。根据管路所要连接的两个接口位置、布局空间来设计对应的管路布局。但是飞行器中留给管路的敷设空间较为狭小，欲满足出入口直线段和弯曲半径的要求，需要较大的布局空间(称为布局可行域)，若管路布局可行域不能满足，需要拓展管路的布局域。此时，对布局可行域的拓展称为拓展域。本发明提出了拓展域的概念、最小布局面的确定方法以及在拓展域内进行管路布局设计的方法。

(1)拓展域的概念

航空航天管路设计标准规定，管路从端头沿着引出方向(介质传输方向)应具有足够的直线段。直线段的长度由各行业的设计标准而定(有些标准规定为L_s＝2D₀，这里D₀为管道外径。有些标准规定为16mm或其他尺寸)。而且，管路弯折时的弯曲半径R_b也有相关规定，一般而言，R_b取为4倍的管道外径。因此，在管路接口引出方向上应考虑直线段和弯曲半径所占据的长度，如图1所示。如图1所示的平面管路，管路的入口A₀和出口B₀各自的引出方向上，应扣除各自的直线段L_s后，即在A₁B₁的范围内进行布局设计，此时A₁B₁之间的区域称为布局可行域。

根据图1中管路接口引出段的直线段长度要求，入口A₀和出口B₀扣除直线段后的剩余段L_rA和L_rB，布置弯曲管路时，剩余段L_rA和L_rB，应满足弯曲半径R_b的要求。即

L_rA≥R_b∩L_rB≥R_b (1)

式中，符号“∩”表示“与门”的关系，即同时满足才能符合布局可行域条件。

参照图1中管路接口引出段的长度要求，管路沿着接口A₀和B₀引出方向的长度，应满足直线段L_s和弯曲半径R_b的要求，所以，即接口引出直线段A₀A₂、B₀B₂的长度应满足：

需要注意的是：若沿着管路某一接口A₀和B₀引出方向的长度不足时，即式(2)不满足时，需要对布局进行在管路接口引入方向上进行拓展。

为了说明该问题，如图2所示的平面管路情形，入口A₀沿着y方向，出口B₀沿着x方向，但是由于结构空间的限制(例如障碍、管接头的位置等等)，接头A₀引入方向上的长度不足，若直接弯折，造成入口方向的直线段长度不足，即式(2)不满足，若用坐标描述即为

|y_B0-y_A0|≤L_s+R_b (3)

此种情形时，原布局可行域空间不足，因此，需要对管路的引出方向(y方向)上对布局域进行拓展。

(2)拓展域的确定方法

对于图2所示的平面情形，接口A₀在入口引入方向的长度不足，因此，需要从A₀沿着引入方向上进行拓展至A₂(如图2所示)，此时，垂直于引出方向且通过A₂点的面称为最小布局面，为拓展域的最小边界。最小拓展面需要综合对比下式来确定

(|y_A2-y_A0|＞L_s+R_b1)∩(|y_B0-y_A2|＞R_b2+R_b3) (4)

式中，符号“∩”表示“与门”的关系，即同时满足才能符合布局拓展域条件。

对于三维空间管路，如图3所示的案例中，入口A₀的引出方向为x方向，坐标为(x_A0,y_A0,z_A0)，出口B₀的引出方向为y方向，坐标为(x_B0,y_B0,z_B0)，接口A₀在入口引入方向的长度不足，因此，需要从A₀沿着x方向进行拓展至A₂(如图3所示)，此时，垂直于x轴且通过A₂点的面称为最小布局面A₂DEF，为拓展域的最小边界。

同时，根据管路布局的弯曲半径设计要求。图3所示的情况下，空间最小拓展面的位置确定方法为

(|x_A2-x_A0|＞L_s+R_b1)∩(|x_B0-x_A2|＞2R_b) (5)

(3)在拓展域内管形布局设计方法

经过上述的拓展方法后，使得的A₀ A₂的长度保证满足仍然式(2)。这样得到一个新的长方体的拓展布局域，假设其长、宽、高的长度分别为l₁,l₂,l₃。管路将在这个长方体拓展域内进行布局弯曲设计，如图4所示。

可见，这种拓展域内的管路布局方式实际上是在最小布局面内确定两个弯折点C₁和C₂，即可确定出整个管形。根据最小布局面的极限位置、重量、弯曲半径、弯折角度≥90°的设计要求。例如由于弯折段弯曲半径的要求，两个折线段C₁ C₂、B₂ C₂的长度应大于两倍的管路弯曲半径，即

(C₁C₂＞2R_b)∩(B₂C₂＞2R_b) (6)

因飞行器有重量控制的要求，若将第一弯折C₁点取为A₂点，则可以在最小布局面上进行布局设计，且三段弯折时长度较短，质量小，因此本发明给出该情形下管路拓展域内的三种布局设计方案，如图5所示。

下面分别以平面和空间两种情形为具体实施例，演示本发明提出的拓展域内管路布局设计方法。

实施例1：平面案例

首先是平面情形(假设XOY平面)，如图6所示，若要在入口A₀和出口B₀之间设计管路，其中，入口A₀的坐标为(0，0)，引入方向为y轴负向，出口B₀的坐标为(180，40)，引出方向为x轴正向，坐标单位为mm。需要在两个接口之间设计的管路外径D为12mm，弯曲半径R_b1为4倍的管径，即48mm，直线段L_s的长度要求为16mm。弯曲半径R_b2＝40mm，R_b3＝40mm。

这个模型中，接头B₀引入方向上的长度足够，但是接头A₀引入方向与接头B₀的距离不足，即

|x_B0-x_A0|＝180mm＞(L_s+R_b＝64mm)

|y_B0-y_A0|＝40mm＜(L_s+R_b＝64mm)

因此，按式(4)在y负向拓展至最小布局面。

(|y_A2|＞64)∩(|y_A2|＞120)

即最小布局面的y坐标的绝对值应大于120mm。本例中选取136mm，根据两个接口直线段的要求，在该拓展的最小布局面上，形成的管形如图7所示。

图7所示的管形，可以根据管路的动力学设计要求进行进一步设计，例如调整图7中出入口直线段的长度，就可以改变管路结构的动力学特性，表1中列出了不同直线段长度时管路的前三阶固有频率。

表1拓展域内布局的平面管路结构形式和前三阶固有频率

实施例2：空间案例

如图8所示空间情形，若要在入口A₀和出口B₀之间设计管路，分别采用本发明提出的一段式弯折、两段式弯折和三段式弯折方案进行设计。这里假设入口A₀的坐标为(0，0，0)，出口B₀的坐标为(50，200，150)，坐标单位为mm。需在两个接头内设计的管路直径D为12mm，所有弯曲半径R_b均为4倍的管径，即48mm，直线段L_s的长度要求为16mm。

根据本发明提出的方法，首先按式(5)确定出拓展域的最小布局面，如图8所示，最小布局面为通过A₂点且垂直于入口引出方向的平面。该面应满足

|x_A2-x_A0|＞(L_s+R_b＝64mm)

|x_B0-x_A2|＞(2R_b＝96mm)

根据实际坐标情况，图8所示的最小布局面中A₂点的横坐标应大于146mm。本例中选取拓展面的横坐标为150mm。在该拓展域内进行三段式弯折管路布局设计，分别采用图5的管形布局方式，得到的管形结构形式和对应的前三阶固有频率如表2所示。

表2三维情形下拓展域内管路布局形式及其对应的固有频率

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种在拓展域内管路布局设计方法，其特征在于步骤如下：

首先需要确定实际空间三维尺寸是否满足管路正常布局可行域尺寸的要求；判断方法为：根据实际管路入口A₀和出口B₀两个接口的坐标(x_A0,y_A0,z_A0)和(x_B0,y_B0,z_B0)，计算实际空间三维尺寸即为原布局可行域；

通过管路端口引入方向和引出方向上的直线段(L_s)和弯曲半径(R_b)两个设计参数，判断实际空间尺寸是否大于布局可行域所要求的尺寸，若满足，按原布局可行域实施布局设计；

若实际管路的入口A₀和出口B₀两个接口的三维坐标，在任意一方向上存在小于等于正常布局方向上所要求的尺寸(L_s+R_b)，即出现以下情形之一时，即

|x_B0-x_A0|≤L_s+R_b，或|y_B0-y_A0|≤L_s+R_b，或|z_B0-z_A0|≤L_s+R_b

其中，当某一方向的坐标满足上式时，称为该对应方向上原布局可行域尺寸不足，不能实施正常布局可行域内的管路布局设计；

按照本发明提出的拓展域的概念，在这个对应的某一不足方向上，对原正常布局域进行拓展，拓展方法是从接口处开始，沿着这个不足的方向上进行拓展，直至拓展至最小布局面，该最小布局面的确定方法如下：

(|y_A2-y_A0|＞L_s+R_b1)∩(|y_B0-y_A2|＞R_b2+R_b3)

式中，符号“∩”表示“与门”的关系，即同时满足才能符合布局拓展域条件；

经过上述的拓展方法后，得到一个新的长方体的拓展布局域，在拓展域内的管路布局方法是：在最小布局面内确定两个弯折点，且两个折线段的弯折角度≥90°，即可确定出整个管形，该管形的弯折点均在最小布局面内，所以是质量最低且满足手册/规范要求的管形；

获得初步管形后，可以进一步实施进行优化设计，优化目标是确保管路的固有频率避开可能的激励频率，从而实现拓展域内管路布局的动力学优化设计。

2.根据权利要求1所述的一种在拓展域内管路布局设计方法，其特征在于所述的优化设计的方法是：对于平面管形，可以通过调整拓展方向上的直线段长度，来修改管路的固有频率；对于空间管路，可以通过调整两个弯折点C₁和C₂的坐标值来修改管路的固有频率；且为了保证各弯折段角度≥90°的设计要求；两个折线段C₁C₂、B₂C₂的长度均应大于两倍的管路弯曲半径，即

(C₁C₂＞2R_b)∩(B₂C₂＞2R_b)。

3.一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1所述的方法。

4.一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求1所述的方法。