航空发动机管路智能布局

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管路自动敷设是提高管路敷设效率、降低敷设成本的重要途径。目前，很多国内外学者或研究机构已对管路敷设进行了研究，并取得了-定的成果。例如，文 提出了人机交互法，即在计算机的辅助下由人工解答-些问题进而实现航空发动机管路的敷设。这种方法要求设计者有很强的专业背景和专业知识而且布管效率低下和布管成本高。文献嘴 专家系统法应用于管路敷设，使求解复杂度变低，但知识提认困难。另外，-些优化算法如遗传算法l引、蚁群算法141、粒子群算s-6和混沌算法7已经被应用于管路的自动敷设。虽然这类算法较为灵活以及具有较好的全局性，但当栅格数目增多时，算法的处理难度呈指数增加。因此 ，由于管路布局约束的复杂性，目前还没有形成-套成熟的理论和方法 。

根据 目前航空发动机管路布局的研究现状和航空发动机机匣外部空间近似为圆筒的特点，提出了基于工程规则和空间离散的航空发动机管路布局方法，并进行了实例研究。

2工程规则和布管空间建模2.1工程规则工程规则纷繁复杂是管路布局问题的难点之-，由于本算法是-种基于规则引导的搜索算法，为了方便介绍算法，下面给出-些重点考虑的工程规则如下：1避开障碍物如设备、附件和已敷设的管路等。

2管路必须敷设在发动机外廓尺寸限制范围内，管路尽量平直且短，以减轻重量，减少流体损失。

3避免由于发动机工作时引起的管路系统振动，发动机管路之间或与其它机件之间最袖隙-般不小于3mm。

4为减少装配应力的存在，为避免弯曲的管路出现裂纹，对于所有管路的弯曲半径 R应满足，当D 22mm时， 3D；当D<20mm时，R2OO为管路外径。

5为了满足装配工艺性的要求 ，管接嘴处的管路不能直接弯曲，并且管路需要沿着管接嘴方向拔出-段直线段，其长度不小于2.5倍弯曲半径。

6管路的直线段长度不小于2.5倍弯曲半径包括管接嘴拔出长度在内。

7考虑到管的可加工性，管路中的弯头应尽量少。

8管路应旧能少从附件顶部跨过，以利于附件的设计和附件维修单元的装拆维护。

来稿日期：2012-11-o4基金项目：总装备部预研重点基金资助项目9140A18010207LN0101作者简介：白晓兰，1981-，女满，博士，主要研究方向：管路设计及制造第 9期 白晓兰等：航空发动机管路智能布局 579管路系统的敷设应留有足够的空间，便于发动机单元 3布管算法设计体、外部零组件和附件的更换。

1o管路尽量靠近发动机内机匣敷设，以便获得较好振动特陛和较小的外廓尺寸。

1 1为了便于管路加工固定和外形美观，管路尽量靠近发动机壁面敷设以及沿发动机的轴向和周向敷设。

12所有管路在敷设时，尽量做到由内层向外层敷设。

1 3管路尽量敷设在发动机的-个半周内，使维护方便。

2.2布管空间建模如图 1所示，航空发动机的布管空间为介于内机匣与短舱之间的回转空间，并且存在着障碍如附件等。

图 1航空发动机布管空闭Fig.1 Aeroengine Pipe Space由于内机匣外表面和短舱内表面可以认为某曲线绕某直线旋转所生成的回转面或近似回转面，在柱面坐标系下，布管空间可表示如下：设内机匣外表面与短舱内表面的母线 z 、 分别表示为：z ：f p，z o0s s。 100z ：f p' 0o≤ 。 2 1 J
00式中： -发动机机匣轴向长度；为了方便表达，将 与 分别记作P。 z与PN-fz。因此，布管空间可表示为：z J0 21T 3O

布管空间中存在的障碍，依据规则 3和9，对其进行膨胀，其膨胀量为 庐Dg。其中，D为管路外径，g为确定的最袖隙。根据最小扇环体包容盒原则表示如下：p P p0 ≤ ≤0
m 4z
z z式中：P，p ×0 0m × -障碍包容盒在柱面坐标系下的取值范围。

为了布局出满足工程规则的管路，本节设计了规则引导的智能布管算法。该算法包括蟹境布管空间的建立、布管空间离散和路径搜索三部分，下面分别给予介绍。

3.1蟹境布管空间的建立为了缩小搜索范围和提高管路布局效率，-个包含管路的始末点以及障碍的最小扇环体包容盒的蟹境布管空间被建立，如图 2所示。

终图2蟹境布管空间Fig.2 Small Space Environment Pipe Laying蟹境布管空间 为： SuTu uf Z2uu l 5式中：Jsps，Os，zs-起点；Tp ，0 ， -终点； 1 Ⅳ-第i个障碍且满足下式：ZinSuT≠西 6式中：SuT-包含管路始末点 s与 的最小扇环体空间。

进-步可以表示为式4的形式 ，即建立-个包含始末点 Sp ， ， 与 Tp ，0 的最小扇环体并进行-定扩展的六面体区域，其取值范围P，，P ×0 ，Oz×z.， 按下式计算：pl0l三 lp22minps，PrminOs，0 rainzs，z maxp5，Prmax0s，0rmaxzs， r1- 。

- A0，- .

2△7式中：△ 0，1，2、△ ->0j'l，2与 0，1，2-自适应区域SuT沿柱面坐标轴扩展的距离。

以 伪代酮 标 虾 莨为障碍 包容盒在柱面p坐标系下坐标的取值范围。

Begini1， 1：0，△p20，P058 机 械 设 计 与制 造No.9Sept.2013fZi SuTElsefp lmin Prp ffEnd fEnd f,2>maxP ，P p max Prp f 22End fEnd fEnd f1End WhileEnd特别说明的是，在柱面坐标系下，构建蟹境布局空间及其路径搜索时，当maxOs，Or>min0s，Or叮r，为了计算方便，若0emax0s，0r，2竹，需转换成负值表示，即00-2"a"。

32布管空间离散依据规则12，并考虑到障碍对管路布局的影响，为提高管路路径搜索的效率、降低布管的复杂性，将蟹境布局空间进-步离散为r2个曲面。每个曲面兀 可表示为：p 。

0l0<02 8zl z 2为了使布局出的管路满足工程需要，除了建立蟹境布管空间及其离散层面和路径运动方程时考虑了规则 2、11、13外 .还设计了规则引导的搜索策略。

1对于规则 1011：当 时，即布管起点更靠近内机匣，点Ppt， t，首先沿轴向或周向运动；进-步考虑到规则 2,7，选择二者中与拔出直线段夹角小的方向作为初始运动方向。

当Jr

、 分别为点 S、T与内机匣表面的距离 ， r ， r- r。

2对于规则 13：当点 ept，ot，zt沿着周向运动时选择朝向终点的劣弧作为运动轨迹。

3对于规则 1：碰到障碍后在当前位置改变运动方向重新构建路径，直至到达终点。

4对于规则 8：如果障碍是附件 ，路径沿其侧面沿 O,z轴方向进行绕过；如果障碍为已布管路，则直接在其顶部跨过沿P轴方向。

5对于规则 6：搜 索步长 、△ 和 分 别为 △pPr-pt、h010r-otl、AzZT-zfl，须满足△p>-L、hO>L/pt、Az ，L为管路直线段的最短长度。

6对于规则 4、5：对管路弯曲半径和拔出直线段的要求将在 UG系统中解决。

如图3所示，依据上述路径搜索策略搜索始末点ST间的路径时，从起点 S出发 ，沿轴向运动至 C.遇障，在当前位置重新构建路径，转方向沿周向运动到达 C2，再沿轴向运动至 C，后沿径向运动直至到达终点其中，当p。分别为ps T,o2 1 J7v。

3.3路径搜索在建立了蟹境布管空间及其离散层面后 ，路径搜索可看作由起点按-定的规则沿着柱面坐标系下的径向、周向或轴向向终点位置运动的轨迹规划。设 t时刻位于点 Ppt，ot，zf，沿p,O、z轴的移动步长分别为 △p、AO、 。则其运动方程可表示如 故下 ：沿径向的运动方程：pt1pf±0t1 zt1 f沿周向的运动方程：pt1 f0t1 t±hOzt1 沿轴向的运动方程：pt1 t0t1 tzt1z4-91011图3路径搜索12 Fig.3 Path Search：4实例研究采用 Matlab与 uG平台实现了基于规则引导的航空发动机f1s、 管路布局算法。如图4所示，首先在uG平台下建立测试模型，然16 后提取布局空间信息，接着通过Matlab语言编写的布管算法搜17 索路径，最后将计算结果导回uG中实现管路布局的可视化。

No.9Sept.2013 机械设计与制造 59Grip信息言编算法图4布管流程Fig.4 Pipe Laying Process简化的航空发动机模型为轴向长 L231、径向内直径 M1100、外直径 M2156，周向角度为 2的柱面回转空间。对 46根管路按由粗到细、由内而外进行顺次布局，当布 根管路时，算法自动将前-1根已布管路进行障碍化处理。计算得到的管路模型，如图5所示。布局结果基本满足敷设要求，验证了算法的可行性。

而且，在个人计算机上CPU 2.93GHz，内存 1GB计算时间为 69s其中读取模型文本占用 43s，计算效率非常高。

图 5管路布局结果Fig.5 Pipe Laying Results5总结提出了-种基于规则引导的航空发动机管路智能布局方法。在该方法中，小模型环境空间的建立缩小了搜索范围，提高了路径的搜索效率；布局空间的离散降低了路径搜索的复杂度，并且避免了管路编织成网；基于工程规则的布管策略的设计提高了布管质量。实例证明了该方法是可行的，而且搜索速度快。