[发明专利]一种三维空间可行域内的管路弯折设计方法

说明书

本发明一种三维空间可行域内的管路弯折设计方法，属于航空航天飞行器的管路设计领域；首先管路布局的三维空间可行域，然后在布局可行域内确定管路弯折数量k，最后以管路的动力学指标为目标实施优化设计。本发明对于飞行器管路系统的任意两个出入口端口之间的管路布局设计提供了方法，发明了一段式～多段式弯折方案。能够对不同管路布局进行分析和选择，便于工程中多种布局管路结构的快速建模和频率特性对比。本发明以避开发动机风扇转子转动频率、泵设备运行频率、降低振动应力等动力学物理量为目标，能够达到错开飞行器的危险共振频率、降低管路结构的振动应力的目的，从而提高飞行器管路结构的振动可靠性。

技术领域

本发明属于航空航天飞行器的管路设计领域，具体涉及一种三维空间可行域内的管路弯折设计方法，即在已知管路两端接口(即入口、出口)位置的情况下，在两端 口之间的三维空间可行域内进行管形布局设计的方法。

背景技术

航空航天各类飞行器中，管路系统经常用来连接飞行器上两个或者多个附件设备， 是各种流体介质(液压油、燃油、滑油、空气等)相互传输的通道。管路的敷设经常 是在设计好的飞行器结构上，根据附件设备接口位置来实施管路布局设计。

各种管路结构一直是航空航天飞行器结构失效的薄弱环节。一方面，航空航天管路系统经常处于恶劣的振动冲击环境中，发动机旋转部件、泵设备运行、燃气喷射等 引起的振动激励均会传递给管路结构。另一方面，管路的动力学特性与管形布局密切 相关，在较宽的发动机工作频段内，管路极易引起共振或者应力过大，严重影响飞行 器的寿命及其安全性，通过合理的管形设计是提高管路振动可靠性的必由之路。

目前，飞行器管路的动力学全流程正向设计研究还处于探索阶段，其中基本管形(例如L形、U形或Z形)布局设计较为成熟。但是对于更加复杂的管路，其布局设 计主要借助于商用软件(例如UG、CATIA等)建模，再校核管路动响应的方法。该方 法存在以下三个问题：(1)管路设计手册标准仅是一般工程规则，具体到某些管路布 局设计时，仍然有多个布局参数(如弯折尺寸和位置)需要设计者来确定，此时就会 引入较大的经验性。(2)实际工程中，飞行器中各种管路的数量多达上千根，各个管 路之间形式差异很大，传统方法没有体现出不同管路的内在结构几何特征与动力学特 性的关系。若要逐一研究每根不规则管路的动态特性，分析工作量巨大。(3)在传统 的管路故障溯源和改进设计中，难以确定布局尺寸对管路结构的动态影响规律，无法 快速地甄别关键结构参数，排故中经常采用试凑调整的方法，盲目性较大，且效率低 下。而造成上述问题的根本原因是，在三维空间内设计未知的管形布局结构缺乏方法。 显然，必须将管路布局参数与其动力学影响联系起来，才能真正打通管路的动力学正 向设计。因此，研究基于动力学的飞行器管路三维空间布局设计方法具有重要的意义。

目前管路系统三维布局优化设计方法多以最短路径、路径寻优、避障和防止干涉为目标，主要以改善优化算法的效率、搜索策略和收敛性等为突破点[1-5]，包括遗传 算法、NSGA-Ⅱ、粒子群算法等，这类研究代表性的文献有：

[1]熊勇,张加,余嘉俊,张本任,梁萱卓,朱奇舸.船舶三维管路智能布局优化算法[J].计算机应用,2020,40(07):2164-2170.

[2]柳强,焦国帅.基于改进NSGA-Ⅱ的航空发动机管路多目标布局优化[J].计算机集成制造系统,2018,24(05):1217-1227.

[3]王长涛,王哲,高治军,孙亮亮,朱毅.一种三维建筑单管路自动布局方法设计[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2018,34(01):115-121.

[4]吴宏超.复杂产品中的管路自动布局与优化技术研究[D].北京理工大 学,2015.

[5]白晓兰.航空发动机管路布局智能设计方法研究[D].东北大学,2013.