0 引言
管路是航空、航天、船舶、汽车等行业中机电产品的重要组成部分，管路系统以气体、液体等作为工作介质，实现产品的运行、控制、操纵等功能。管路的合理布局设计、精确制作与可靠施工直接关系到机电产品的质量、可靠性和工作寿命。美国通用电气公司在对以往发动机的空中停车事件总结后发现，导致空中停车事件原因的50%是由于外部管路、线缆、传感器损坏、失效引起的。
国内外相关研究机构从管路的数字化布局设计、导管弯曲加工过程建模与仿真、管路测量等方面开展了研究，取得了大量研究成果。在管路数字化布局设计方面的研究成果主要集中在计算机辅助人机交互式布局设计和自动布局设计两个方面。（1）人机交互式管路布局方面：GE公司在20世纪80年代采用在计算机上建立发动机电子样机的方式进行管路设计，北京航空航天大学从20世纪90年代初开始进行航空发动机的管路设计研究，并开发了交互式的航空发动机管路设计系统，北京理工大学的路志芳、赵柏萱等对虚拟环境下的管路交互式布局技术进行了研究并建立了原型系统。交互式的管路布局方式以技术人员在电子样机上进行手工交互布局操作为主，并利用技术人员的经验和相关试验进行交互式的反复修改，虽然利用计算机辅助技术在一定程度上改善了管路布局的效率，但是其操作繁琐并很大程度上依赖设计人员的经验，设计结果优化困难，设计效率和质量难以满足现代制造业发展的需求。（2）管路自动和智能布局方面：人机交互式管路布局技术的不足，促使学者们开始探索管路自动和智能布局方法，管路自动布局算法经历了从最初的二维平面到三维空间、单根管子到多管敷设的发展过程。在单管自动敷设方面，Rourke提出了采用迷宫算法解决管路布局设计，1991年Zhu等将管路敷设问题看成满足一定约束的机器人路径规划问题，提出了一种基于机器人路径规划思想的管路布局方法，1999年Ito提出基于遗传算法的管路规划方法，2006年范小宁等应用蚁群算法对船舶三维管路布局问题进行了研究，2007年付宜利等分别应用粒子群算法和混沌算法对机电产品的管线问题进行了研究，2011年王成恩等人提出了投影与侧地线发进行航空发动机的管路布局算法。在分支管路自动布局方面，2010年王成恩提出了基于管路干扰度的排序方法，2012年美国Park提出了管路布局的单元生产算法，2013年北京航空航天大学的攀江应用迷宫算法对分支管路端点进行串行连接。经过几十年的发展，管路自动敷设技术的研究已经取得很大进展，但是由于管路布局的复杂性，其理论上是三维空间的避障路径规划问题，而该问题是典型的NP-hard问题，同时多管路敷设顺序规划也是复杂的组合优化问题，另外管路布局不仅要考虑空间限制，还有考虑功能性、加工性、可装配性等一系列工程约束，因此目前管路的布局优化算法的工程应用仍然不理想，工程中尚缺乏实用的方法和工具。
导管弯曲加工过程建模和仿真主要包括几何加工过程仿真和物理加工过程仿真两方面，几何加工过程仿真不考虑加工过程中的力、热以及其它因素的影响，只仿真机床、模胎和工件的综合运动并进行干涉检测，用以验证NC程序的正确性。物理加工过程仿真通过建立弯管加工过程的物理模型来预测弯管加工过程中的回弹、起皱、横截面畸变、开裂等工艺性问题，并通过对导管数控弯曲成形规律的研究和工艺参数控制来达到优化加工过程的目的。（1）在几何加工过程仿真方面：目前，国外数控弯管机制造商意大利BLM集团、英国Addision公司在其生产的部分数控弯管机上配有专用弯管仿真软件，此类仿真软件以图形编程的方式实现弯管机的加工过程仿真，具有模夹具的尺寸定义及加工过程的碰撞检测功能，但一套仿真软件只针对特定的一台数控弯管机，且与数控弯管机配套出售，不具备通用性。国内的西北工业大学的何卫平等运用TurboC开发了Tubemod系统，建立了美国Eaton Leonard公司的VB50、VB150及VB300系列数控弯管机的仿真模型；李峰等利用3ds Max与OpenGL开发了数控弯管加工过程仿真系统，北京理工大学吕波等还开发了TBS系统，通过定义运动变量，采用几何位姿的变换实现加工过程仿真，建立了Eaton公司VB50HP，VB100HP，VB200和VB300HP系列数控弯管机的加工仿真模型；陈安明等基于SolidWorks 2008开发了数控弯管加工仿真系统，建立了Eaton公司VB系列、Addison公司DBl00EB数控弯管机的仿真模型。（2）在导管加工过程物理建模和仿真方面：管材塑性弯曲成形是一个集材料非线性、几何非线性和边界条件非线性于一体的复杂过程，弯曲成形后容易产生回弹、外侧壁厚变薄甚至开裂、内侧壁厚增大乃至失稳起皱、横截面畸变等质量缺陷。因此，物理加工过程仿真一直是难点，也是国内外的研究热点。目前研究成果和研究方法，主要基于试验、理论研究和数值模拟技术，获得材料参数、几何参数以及工艺参数对回弹、壁厚变化以及横截面畸变等成形质量的影响机理，从而获得合理的工艺参数优化方案，提高弯管的成形质量和加工效率。在回弹解析理论研究中，EI-DomiatyA对轴力在较大范围（达到颈缩点）的拉伸弯曲及其回弹问题进行了研究，这些研究结果揭示了拉伸变形对回弹的抑制作用。Zhang在回弹的理论分析过程中特别强调了变形历史、材料强化模型对残余应力和回弹计算的影响。重庆大学的熊淑元运用弹塑性理论推导了弯矩计算公式，考虑了截面畸变以及壁厚的影响，分析了成形角与弯矩及曲率半径的关系，为回弹的深入研究提供了参考，但没有考虑中性层偏移对回弹的影响。AI-Qureshi以平面应变为假设，根据梁弯曲理论对管材弯曲进行了弹塑性分析，推导了回弹角计算公式，分析了外径、壁厚和弹性模量等参数对回弹的影响，并提出了回弹角补偿方案，但是方案的实施基于大量的试验，其应用具有局限性。2003年张旭光针对弯管的弯曲段和过渡段分别建立了不同的回弹预测解析模型，提出了以刚塑性有限元法计算管材塑性弯曲过程的应力场，结合预测模型实现管材回弹预测的新该法。GU分析了NC薄壁管回弹规律以及几何参数和材料参数对薄壁管回弹的影响规律，为研究其它参数对回弹的影响规律提供了思路。李振强采用解析法建立了大直径薄壁管回弹解析模型，但其忽略了管材弯曲变形过程中产生的壁厚变化和横截面畸变，与实际情况存在一定误差。李恒等分析了薄壁管几何参数对回弹的影响规律。北京理工大学的鄂大辛等人基于理想弹塑性变形模式分析了回弹现象，利用沿管材弯曲线切向和壁厚方向的变形关系，推导出基于弯管外侧材料变形卸载后弯曲回弹角的近似计算公式，并基于线性强化模型假设，分析了管材弯曲变形过程中的应力分布，提出在中性层两侧存在的弹性区域可能是导致二次回弹的主要原因。目前国内外关于管材弯曲成形理论、有限元成形质量预测技术以及工艺参数优化技术等方面的研究，已取得了一定的成果，也得到了一定程度的应用，但综合来看，现有的理论分析结果和相关技术研究仍不能完全解决管材弯曲成形过程中出现的缺陷问题。管材塑性弯曲缺陷产生机理的研究大多以实验分析和经验建模为主，有关成形质量之间相互联系以及形成机理的研究还不够深入和全面。管材塑性弯曲成形的影响因素复杂，很难建立统一的理论表达式，因此大多数研究工作主要建立在大量假设的基础上，虽可定性表征弯管的成形规律，但在定量上却很难保证理论分析结果的准确性，难以为弯管加工提供直接、有效的指导。
另外，虽然导管数控弯曲技术大大提高了加工质量，但管路弯曲成形以及焊装后的精确测量仍然是保障管路系统精确安装和无应力装配的最直接手段。目前国内外对于导管加工后的空间几何形态测量主要采用靠模方法、激光矢量方法、激光跟踪仪和三坐标测量仪等。靠模测量方法根据弯管设计参数，需要制造机械对比装置，缺乏柔性。激光矢量测量方法需要沿导管轴线方向进行测量，测量效率低。激光跟踪仪和三坐标测量仪虽然测量精度较高，但这些方法测量时需要与导管表面接触，容易造成细长柔性管或软材料管的表面变形，导致测量失真，并且复杂形态导管同样存在遮挡不易测量，只能离散测量少量检测点，效率较低。因此，目前工程中急需新型测量装置来实现弯管以及导管接头组件（即弯管和接头焊装后的管路系统）的快速、准确测量。
综述所述，目前管路设计与制造技术方面虽然取得较大成果，但仍然存在如下问题：1）管路的生产模式相对落后，存在着设计、施工和管理集成难的问题，需要探索一种新的集结构件和复杂管路一体化的集成设计方法，实现管路布局设计和结构件设计的并行协同，管路布局设计、工艺设计和制作之间的并行协同，以及制造与测量之间的协调，减少或避免不协调导致的返工多等问题；2）针对航空航天中广泛应用的高强轻质合金薄壁导管数控加工中的起皱、截面畸变、回弹等质量问题，以及目前管材弯曲理论相对薄弱的现状，急需通过大量工艺试验和仿真分析，建立考虑实际工况的管材弯曲应力、应变、卸载回弹、弯管横截面畸变、管壁厚变化以及压模压力、助推力等的计算方法，建立导管弯曲工艺数据库和知识库，实现基于实际工况的管材弯曲质量预测和工艺参数优化，提高管材弯曲成形质量；3）针对航空航天等复杂产品中无应力装配要求，以及长期制约管路设计与制造一体化中的管路快速测量的瓶颈难题，急需探索一种新的测量方法和装置，实现弯曲成形后的弯管以及导管接头组件的非接触快速准确测量。
针对以上问题，课题组在“十五”和“十一五”国防基础研究等项目支持下，结合导弹、卫星、火箭等复杂产品中的管路研制工程实践，系统地开展了管路数字化建模、布局优化、工艺过程建模与仿真、试验验证及数字化测量等相关技术攻关和集成应用研究，以达到改变管路系统的落后生产模式，缩短研制周期、提高加工质量和安装可靠性的目的。
1 管路数字化布局设计、制造与检测集成系统的技术框架
通过对导弹、卫星、运载火箭等航天产品调研发现，航天产品上有大量导管，这些导管涉及很多用途，如燃料输送系统、液压系统、气动系统等，它们输送燃料、液压油、气体等工作介质。航天产品的管路通常由导管与接头组成，如图1所示，导管的装配连接结构主要螺纹连接、法兰连接、导管焊接连接等形式，由于焊接点的密封性能至少高于螺接点一个数量级，所以在可能的情况下航天产品管路连接应尽可能采用焊接连接方式。
图1 管路、导管与焊接后的导管接头组件
在航天产品研发中，导管必须服从零部件、设备仪器的布局，在零部件及设备仪器之间缝隙中穿行，并满足焊接和定位的空间位置要求，因此形状各异。同时，由于航天产品空间很小，填充密度大，因此对导管的弯曲形状、位置精度要求也较高。
传统的航天导管生产主要采用串行和人工取样方式，如图2所示，主要包括三个步骤：1）导管人工取样：导管取样即导管样件的确定过程。样件通常是在模样阶段或者首件产品总装过程中确定，为确保样件的准确性，取样时应在总装过程中进行，以便真实地反映管路敷设安装路线。2）导管加工：以导管样件为依据，采用人工或半自动弯管技术进行导管加工，在导管加工过程中通过多次的导管实物与样件对比分析，对导管的外形走向进行校正。3）导管安装：完成导管和连接件的安装，在具体安装之前，一般要进行试验装配，即检查导管外形走向固定是否协调，接口连接是否对齐，连接是否通畅，排列固定位置是否合适，不协调处或者安装精度不满足要求的应按相关技术条件进行冷校形修正。
图2 传统的导管取样与安装流程
传统的导管取样与加工方法不足之处：1）导管现场取样工作量大，工作环境差（有些管子取样的空间窄导致取样困难，跪、爬、躺、蹲已经成为取样人员的基本姿势），并需要占用一定的总装研制周期；2）对于火箭、卫星等航天产品来说，由于要保存几十个型号分阶段、分批次的样板实物，需要占用大量生产用地，还带来一系列管理问题。3）人工或半自动弯管技术导致导管成形时间长，并且经常达不到设计精度，批生产过程中也很难保证产品的一致性。4）产品装配中的管路的安装因弯管成形精度的影响而不得不采用大量的手工劳动，校正工作量和返工较多，质量很难控制，严重影响装配周期和装配质量。
针对传统的导管取样与加工方法的不足，提出一种管路数字化布局设计、制造与检测集成系统方法，该方法的工作流程如图3所示，主要步骤如下：1）利用数字化技术，实现管路系统的数字化布局及优化，以及管路系统的三维数字取样。2）利用数控技术，实现导管的数控弯曲成形。3）利用机器视觉技术，实现管路的数字化测量，并通过与管路设计模型的对比分析，提前进行管路校正工作，实现总装时的一次装调成功。4）针对测量合格后的管路，完成管路系统的安装工作。管路数字化布局设计、制造与检测集成方法对提高管路设计、制作与安装的效率和质量具有重要意义，同时导管数字化设计制造集成系统可以直接利用设计产生的导管数字化模型进行工作，可以通过保存数字化导管模型解决导管样板实物的保存问题。
图3 管路数字化布局设计、制造与检测集成方法的工作流程
需要说明的是，虽然管路数字化布局设计、制造与检测集成方法为解决导管现场取样提供了集成方法，但是由于航天产品采用的导管的材料特性强、工艺要求高，有些复杂管路制造难度大，与数控弯管设备和模具干涉，导致目前航天产品中的某些复杂管路仍需在总装阶段采用手工取样作业方式。
建模与仿真技术是实现导管数字化设计与制造的核心技术，导管工艺过程建模与仿真保证了导管数字化制造的可视化、可预测性，使得导管数字化设计与制造技术成为一种有异于传统制造的导管可预测制造模式，而数字化测量技术是实现管路准确安装及无应力装配的最直接保障。笔者从系统的观点考虑管路的数字化生产流程，分析了管路数字化建模、优化布局、工艺过程仿真、试验验证及数字化测量等关键技术，以及管路数字化布局、加工、检测中所需的理论、方法、软硬件工具与数据库，建立了数字化布局设计、制造与检测集成系统的技术框架，如图4所示。
图4 数字化布局设计、制造与检测集成系统的技术框架
1）基础数据库：基础数据库是进行导管数字化设计与制造的数据基础，它提供了导管布局设计、分析、加工仿真以及制造所需要的各种数据，主要包括导管材料库、导管弯曲工艺参数库、导管零件库、导管制造资源库、导管设计与制造知识库等。
2）基础理论与实验技术：导管弯曲加工过程伴随着大变形，成形过程非常复杂，必须通过理论与实验相互结合的方法才能对其成形机理以及成形过程有所揭示。同时，管路数字化智能布局技术涉及人工智能方向大量技术的应用。因此，人工智能、管材塑性成形理论、弯曲过程建模理论、导管弯曲加工实验方法及数据处理等构成了导管数字化布局设计与制造所需的基础理论体系。
3）关键技术：从导管数字化设计与制造的流程角度考虑，总结数字化布局设计、制造与检测集成系统技术的关键技术，包括管路数字化布局设计、导管弯曲成形工艺参数优化、导管数字化集成制造和管路数字化检测技术。
4）应用领域：管路广泛应用于航空、航天、船舶、兵器等部门，其数字化布局设计与制造应该结合各个领域的应用特点展开研究。
2 导管数字化集成设计与制造的业务流程
基于数据库的导管数字化设计、制造与检测集成应用平台的运行业务流程如图5所示。导管数字化设计、制造与检测集成系统是在导管弯曲工艺数据库的基础上，实现导管设计、工艺规划、仿真分析、检测等过程的集成。
图5 基于数据库的导管数字化设计、制造与检测集成应用平台业务流程
1）导管设计人员在三维管路布局环境下，在虚拟样机上布管并且进行装配过程仿真，在导管设计与布局规则和知识的指导下，通过人工布局或者自动布局完成导管的敷设，最后输出导管数字化模型以及布局方案。
2）导管工艺人员对导管数字化模型进行分析，在工艺知识库的支持下制定导管弯曲工艺过程，包括材料选择、工艺性审查、工艺参数计算与优化、质量数据预测与计算、工艺卡片定制与输出等工作。
3）模胎设计人员利用数字化模胎设计分系统设计模胎，输出模胎数字化模型，用于加工制造。同时，导管模胎设计分系统还可以为加工仿真提供所需仿真模型。
4）仿真分析人员根据导管和模胎数字化模型、工艺文件进行有限元建模与仿真分析，对当前工艺条件下导管的成形物理过程进行模拟，分析导管的应力应变状态以及可能产生的成形质量问题，预测导管最终的成形质量，通过分析提供改进工艺参数或模胎的工艺措施。
5）仿真分析人员根据导管模型制定NC程序，并且进行加工数据的补偿，以生成几何尺寸合格的导管零件；根据工艺文件，建立数控弯管机、模胎以及导管的数字化模型，通过NC程序驱动导管数控弯曲加工过程仿真，从而判断导管几何结构的合理性、模胎选型的合理性以及NC代码有效性，通过加工过程中碰撞检测技术及时剔除不能弯曲的导管，不需在弯管机床上试弯，减少了材料浪费及机床的占用时间。
6）在所有阶段完成之后，根据工艺规程调整机床、模胎、工艺参数等，进行实际数控弯管机的数字化弯曲加工。
7）加工完成后，通过管路数字化测量设备对弯曲成形后的弯管以及导管接头组件进行实物测量，并自动与设计模型进行对比分析，从而准确指导校正工作。
管路数字化布局设计、制造与检测集成系统的关键技术包括管路布局设计与智能评价、导管弯曲成形质量预测与检测、导管数字化制造集成技术及工艺数据库建立、基于多目视觉的管路数字化测量方法与装置等，下面分别对4项关键技术的技术方案进行阐述。
3 管路布局设计与智能评价技术
管路在航空航天产品等复杂产品中大量存在并涉及很多用途，如燃料输送系统、液压系统、气动系统等，它们输送燃料、液压油、气体等工作介质。管路在工作状态要承受变形和高频振动，还要承受管内流体的撞击和脉动，有一部分还要受高压和温度的变化影响，因此管路系统的设计过程复杂。据航天某院航天发动机统计数据显示：一个管路的布局设计有14个设计环节，涉及到结构、振动、流体等专业，因需要考虑的问题复杂，工程中常出现设计的管路无法加工或装配等问题，频繁返工，一台中型航天发动机的管路设计及协调时间长达4个月，大大制约了产品的研制周期。因此，如何提高管路布局设计的设计效率和设计质量是研制中的难题之一。
针对以上问题，提出了一种管路布局设计与智能评价方法，该方法的技术思路是首先在虚拟样机上进行人机交互与自动推理相结合的管路布局设计，同时建立管路布局知识库，采用基于非单调多值逻辑推理的方法对管路布局结果进行多专业的系统评价与优化，提高管路布局设计效率和质量。
管路布局设计与智能评价方法的包括管路系统的数字化建模、管路布局知识建模和管路智能评价三部分。1）管路系统的数字化模型是管路布局设计与智能评价的基础，笔者提出了以通径为核心的管路系统数字化模型，将互相连通并有统一功能的管路定义为一个管路通径，其中包括管路接口，管路附件零件等，如图6所示。在建模过程中，将通径控制点、导管段、管路接口以及导管零件、管路附件零件集成在管路系统的通径模型中。采用以通径为核心的管路数字化建模方法将一个管路通路作为一个单位整体建模，其中包含导管之间的拓扑关系信息以及管路通径的功能，流量，流速，流通介质等信息，并可以对通径中的管路进行整体的管理与评价。
图6 管路通径模型
2）提出了基于形式化语义表达的管路布局知识建模方法，并建立了7类管路布局知识。由于管路布局知识种类多样，适用领域不同等复杂的特点，提出了基于形式化语义表达的知识建模技术，不同领域的人员可以添加各自领域的知识或规则，并根据不同场合选择应用。建立了包括可加工性要求、结构性要求、维修与装配性要求、导管成本要求、管路系统稳定性要求、管路系统流阻损失要求、工程美学要求等7类管路布局知识。
3）提出了基于非单调多值逻辑推理的管路智能评价方法。管路敷设设计的最终目的是在特定的应用环境或工作条件下，使管路敷设的各项性指标能满足敷设的约束条件，并使设定的目标达到最优状态。管路系统的规划布置并非只是个简单的空间几何和位置规划问题，它还是个需要满足多种使用性能要求的设计问题。管路系统规划布置中不易确定的限制性因素有布置空间(或环境)的几何形态，管路成本、自重、强度、流阻损失、振动特性，与其他零件的热干扰特性等。提出了基于非单调多值逻辑推理的管路智能评价技术，通过引入非单调多值求解器（ASP）来实现管路系统的评价，首先按照管路评价标准的强弱以及各规则的优先级确定规则应用顺序，然后按照顺序逐条对管路系统进行评价，获取单规则下的管路系统评分，通过规则之间的逻辑关系导入求解器中对管路系统进行综合评价，并通过规则的不断引入修正系统的评分，最终实现了对各种指标对管路系统的综合评价。图7为利用自主开发的软件开展的某产品液压系统管路的自动布局设计与智能评价的应用界面。
图7 利用自主开发的管路布局设计与智能评价软件开展的应用
4 导管弯曲成形质量预测与检测技术
弯管成形质量直接影响了整个管路的性能，随着航空航天等复杂产品性能及减重要求的提高，钛合金导管及大直径薄壁导管应用越来越多，管件的空间形状越来越复杂、加工难度也越来越大，批生产过程中也很难保证一致性。管材数控绕弯成形是一个集材料非线性、几何非线性和边界条件非线性于一体的复杂过程，该过程影响因素非常复杂、成形质量也难以控制，极易产生诸如管材弯曲成形后的回弹、外侧壁厚变薄甚至破裂、内侧壁厚增大乃至起皱、横截面畸变等质量缺陷，如图8所示。这些缺陷的存在不仅直接影响了产品的质量，而且大量的不合格品也带来了极大的浪费。
图8 导管弯曲成形的常见缺陷
针对管材弯曲产生的缺陷，国内外学者也开展了大量的研究工作，国际上著名NC弯管机厂家，如意大利BLM、美国伊顿等随其机床提供了专用仿真软件和部分工艺数据，但是目前管材弯曲理论还比较薄弱，到目前还没有成熟的理论和方法可以直接指导生产并加工出合格的产品，实际生产中依旧是主要依靠工人经验和反复试弯来完成管件的弯曲成形。
笔者所在的实验室通过理论分析、试验和有限元模拟相结合方法，对导管数控弯曲成形规律和机理进行研究，建立了实际工况下的管材数控弯曲成形过程模型（如图9所示）。管材弯曲成形过程中其外侧主要依靠压模压力压紧，薄壁导管弯曲时还应施加助推力以保证材料的及时补给，减小壁厚减薄率；管材弯曲内侧装有防皱模，对于薄壁导管成形的导管内部还应装有芯轴。
图9 实际工况下的管材数控弯曲成形过程模型
影响管材弯曲成形质量的因素包括管材几何参数、材料参数和工艺参数，其中工艺参数包括：压模压力、助推力、管坯与模具间摩擦、芯轴几何参数、芯轴伸出量、弯曲角度、弯曲模转速、夹模咬入距离等。通过分析发现，通过工艺参数调整优化，可有效提高导管成形质量并保证一致性。
为获取不同工艺参数对导管成形质量的影响规律，进行了大量理论计算、实验与有限元仿真，最后依据分析处理结果建立了导管弯曲工艺数据库。图10所示为横截面畸变实验与有限元模拟结果对比示例，实验条件为：材料为1Cr18Ni9Ti，管径d0=10mm，壁厚t0=1mm的管材，在弯曲半径R=25mm条件下弯曲180°，后在成形件7个典型位置处截面做切片处理。
图10 横截面畸变实验与有限元模拟结果对比示例
在目前管材弯曲理论比较薄弱的情况下，根据弹塑性力学和金属管材弹塑性变形原理，并参照已有板材弯曲理论，通过大量实验和仿真分析，取得了以下技术进步点：
1）提出了基于周向应力连续的管材弯曲应变中性层位置计算方法。目前国内外学者在管材弯曲成形过程研究中，普遍基于平面应力和平面应变假设条件对管材的弯曲成形机理展开研究，忽略了周向应变对弯管横截面变形等的影响。笔者所在的实验室基于横截面上周向应力连续的原理，推导了应变中性层偏移量计算方法，为精确计算导管弯曲成形中的应力应变奠定了理论基础。
2）提出了计入横截面畸变的管材弯曲回弹理论及计算方法。由于管材弯曲过程中会产生各种不同的缺陷，而这些缺陷又交叉影响管材弯曲成形性和弯曲质量，因此，为了研究横截面畸变对弯曲回弹的影响，将横截面畸变计入管材弯曲回弹的推导过程中，并通过计入与不计入横截面畸变对回弹的影响分析，以及两种理论计算与实验结果的对比分析得出：计入横截面畸变的回弹理论计算结果更符合实际弯曲卸载回弹的变化趋势。
3）提出了弯管弯曲瞬时回弹与滞后回弹的近似计算方法。大量实验发现，部分金属管材弯曲成形后的回弹实际上由卸载时刻产生的瞬时回弹和随时间延长逐渐发生的滞后回弹组成。尽管滞后回弹对弯管生产工艺很重要，但至今国内、外仍很少有学者对其进行研究。笔者所在的实验室探索性地将弯管回弹分为弹性与塑性分量，对1Cr18Ni9Ti管材的滞后回弹机理进行了研究，在平面应变假设、线性强化材料模型的基础上，将应力应变分量分为弹性分量与塑性分量推导出弯管弯曲瞬时回弹与滞后回弹的近似计算公式，为后续滞后回弹研究奠定基础。
4）针对实验中出现的导管弯曲过程产生的残余应力测量难的问题，提出了一种基于数字散斑的弯管残余应力测量方法，并研制了弯管残余应力测量试验装置（如图11所示）。该方法的基本原理是：首先在待测区域表面喷涂散斑，在喷涂散斑处打孔释放残余应力，然后根据待测区域散斑形变前的第一散斑图像、形变后的第二散斑图像和数字散斑相关法，确定孔两侧两个轴向点由于形变而产生的轴向位移差以及两个环向点由于形变而产生的环向位移差，最后根据轴向位移差和环向位移差确定孔所处位置的轴向残余应力和环向残余应力。该方法具有测量范围大和测量精度高的特点。
图11 研制的弯管残余应力测量试验装置实物图片和数据处理软件界面
5 导管数字化制造集成技术及工艺数据库建立
通过对航天多个工厂的导管制造车间调研分析，发现目前企业的数控弯管机利用率不高，导致这一现象的原因是：1）企业需要集成解决方案，而目前尚未有商品化的集成解决方案；2）目前导管数控弯曲加工过程中的工艺数据、工艺实例、制造资源、样件等数据多数停留在以实物保存为主的管理方式上，缺乏导管数字化集成制造平台以及导管的数字化制造信息集成管理。针对以上问题，提出了基于导管工艺数据库的数字化集成制造技术，将人、资源、信息等在统一数据源上集中管理，并开发了具有自主知识产权的集导管布局设计、数控弯曲工艺规划、参数化模胎与芯轴快速设计、导管弯曲数控自动编程和加工过程仿真、导管弯曲成形工艺数据库等功能的导管数字化集成制造系统，如图12所示。
图12 自主开发的导管数字化集成制造系统
为了提高导管数字化集成制造平台运行效率，在集成制造应用平台基础上采用了数据库技术、专用接口技术和定制平台运行模式等实现系统信息集成、功能集成以及过程集成。
同时，针对导管弯曲加工成形缺陷发生频繁，知识可重用性差，可继承性差且经验性强的特点，以导管数控弯曲成形工艺研究为主线，利用数字化建模、仿真、试验验证、工艺优化、数据库管理等技术，建立了导管弯曲成形工艺数据库，该数据库主要包括管材信息管理（包括导管规格信息管理、材料信息管理等）、工艺数据管理（包括工艺参数管理、实验数据管理等）、制造资源管理（包括机床信息管理、模胎芯轴信息管理等）、导管零件管理（包括导管样件管理等）、管路附件管理（包括法兰、管接头等信息管理）、工艺知识管理（包括标准规范管理、导管术语管理、经验公式管理）等模块，并创新性地提出了基于导管零件特征信息的工艺数据库逻辑模型及面向重用与决策的导管数控弯曲工艺知识的存储模型，实现了工艺数据的可视化集成管理。
6 基于多目视觉的管路数字测量方法与装置
复杂产品中的管路系统形状、尺寸各异，空间形态复杂。由于导管弯曲成形或接头焊装过程中往往存在加工误差（例如因残余应力释放导致回弹），因此，导管在加工后（成型、焊接）需要进行测量，并与设计数据进行比较，只有检测合格的导管才能允许实施装配。对于检测不合格的导管，需要根据测量结果提前进行校正或者报废处理。
基于机器视觉的数字化测量技术近年来获得了快速发展，该技术具有非接触、数据获取快、精度高、柔性好、自动化水平高等优点，广泛应用于零件尺寸测量、自由曲面测量等领域。但是在大范围形状复杂物体的数字化测量应用中常用的双目立体视觉技术存在测量范围有限的问题。随着相机成本的降低以及计算机处理能力的增强，由双目立体视觉基础上发展起来的多目视觉三维测量技术开始受到重视，已经应用于车身检测、飞机装配等涉及大范围检测的工程实践中。
根据多目视觉原理，提出了一种基于16目的非接触式管路数字化快速测量方法，将测量空间分为若干子空间，采用背光光源技术，利用弯管的边缘轮廓进行多视点测量，且研发的测量装置具有操作简便、测量速度快、精度较高等优点。突破了基于多目视觉的管路数字测量方法的五个关键技术，包括基于测量域的多目相机数目确定及布局方法、基于中心线的立体匹配方法、基于CAD模型的自动匹配方法、基于空间曲线拼接的多视点重建技术和测量误差分析技术。
图13 自主研制的16目非接触式管路数字化快速测量装置
图13（a）所示为所研制的16目测量装置，测量的管路尺寸范围为1500mm×1200mm×600mm，测量精度为±0.1mm，导管测量时间为30秒。图13（b）所示为所测量的带接头导管三维重建结果。由三维重建结果可见，测量系统不仅能针对不同大小型号的导管进行三维测量与重建，而且还可针对带有接头的导管，通过接头匹配测量得到其空间位姿和外形，重构完整的带接头导管的三维模型。
另外，该测量系统可通过三维测量获得的导管控制点信息，可反求计算得到导管数控弯曲成形YBC加工参数，并显示在界面上（如图14 a所示）。同时，通过与原始导管加工参数进行比对，可自动将数控加工校正参数传递给数控弯管机，进行加工校正，如图14所示。
图14 自动计算出导管数控弯曲成形YBC加工参数并传递给数控弯管机
7 结论
质量与可靠性问题是产品研制生产中最核心的问题。火箭、导弹、卫星、飞机、潜艇等复杂产品中的管路是产品工作的“生命线”，其合理布局设计、精确制作与可靠施工直接关系到产品的质量、可靠性和工作寿命。近年来，国内外研究机构和企业针对结构件的数字化设计与制造方面取得大量研究与应用成果，但较少同时考虑管路的数字化设计、制造与检测方面的问题，管路已成为提高我国复杂产品研制质量和可靠性的薄弱环节。
目前我国复杂产品中的管路生产大多是在实物模型或结构样机完成之后，再采用人工的方式取样、手工的方式弯管、利用靠模或实物样件的方式进行测量，这种串行的和依赖经验的设计、制作方法存在精度差、协调周期长、返工返修多、一致性和稳定性差等问题。
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