周期性脉动流体对飞机液压管路振动特性的影响.pdf

2 0 1 4年 6月 第 4 2卷 第 1 1 期 机床与液压 MAC HI NE TOOL HYDRAUL I CS J u n ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ．1 1 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 0 2 周期性脉动流体对飞机液压管路振动特性的影响 李晶 ，王康景 ，阁耀保 ，汤何胜 1 ．民用飞机飞行模拟 国家重点实验 室，上海 2 0 0 0 9 2 ； 2 ．同济大学机械工程与能源学院，上海 2 0 0 0 9 2 摘要为研究在周期性脉动流体作用下飞机液压管道的振动特性 ，分析周期性脉动流体引起管路系统振动机制 ，建立 流体脉动压力影响液压管路振动特性的数学模型，利用有限元软件 A N S Y S建立某型飞机液压管路的三维模型。考虑不同管 道材料和流体脉动因素对管路系统振动特性的影响。结果表明周期性脉动流体容易引起液压管路剧烈的振动响应 ，管路 材料刚度和管路长度直接影响液压管路振幅；液压管路在不同方 向上的振动幅值存在差异，容易引起管路振动的不均匀 性 。 关键词周期性脉动；液压管路；振动；有限元法 中图分类 号 V 2 4 5 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 1 0 0 5 4 Ef f e c t o f Pe r i o d i c Pu l s a t i o n Fl ui d o n Vi b r a t i o n Cha r a c t e r i s t i c s o f Hy dr a u l i c Pi pe o f Ai r c r a f t L I J i n g ’ ， WA N G K a n g j i n g ， Y I N Y a o b a o ， T A N G He s h e n g 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C i v i l A i r c r a f t F l i g h t S i mu l a t i o n ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2， C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E n e r g y E n g i n e e r i n g ， T o n i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o fig u r e o u t t h e v i b r a t i o n c h a r a c t e ris t i c o f t h e a i r p l a n e h y d r a u l i c p i p e u n d e r t h e p e rio d i c p u l s e fl u i d e f f e c t ， t h e v i b r a t i o n me c h a n i s m w a s a n a l y z e d，t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t h e v i b r a t i o n c h a r a c t e ris t i c o f t h e a i rpl a n e h y d r a u l i c p i p e w a s e s t a b l i s h e d，a n d AN S YS w a s u s e d t o e s t a b l i s h t h e 3 D mo d e l o f t h e h y d r a u l i c p i p e o f a c e r t a i n t y p e o f a i rpl a n e ．D i f f e r e n t p i p e ma t e ria l s a n d f l u i d p u l s a t i o n i n fl u e n c e s o n p i p e l i n e s y s t e m w e r e c o n s i d e r e d ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t p e ri o d i c p u l s e fl u i d c a n c a u s e t h e h y d r a u l i c p i p e ’ S s e v e r e v i b r a t i o n，p i p i n g ma t e ri a l s t i f f n e s s a n d t h e p i p e l i n e l e n h d i r e c t l y a f f e c t t h e a mp l i t u d e o f t h e h y d r a u l i c p i p e ．T h e v i b r a t i o n a m p l i t u d e s o f t h e h y d r a u l i c p i p e a r e d i f f e r e n t i n d i f f e r e n t d i r e c t i o n s ，wh i c h c a n c a u s e i n h o mo g e n e i t y o f t h e p i p e ’S v i b r a t i o n ． Ke y wo r d s P e ri o d i c p u l s a t i o n；P i p e l i n e ；Vi b r a t i o n；F i n i t e e l e me n t me t h o d 飞机液压管路振动主要是由液压泵输出的周期性 脉动流体产生压力脉动，引起流体谐振，是激励管道 振动 和噪声 的主要原 因。当液压管路结构满足谐振条 件时，由于液压管路本身具有分布参数特性，容易发 生 自激谐振。当液压泵的脉动频率与固体管道的固有 频率相接近时，容易导致流体与管道之间产生流固耦 合共振现象 ，这种振动不仅影响液压系统的工作性能 及寿命 ，还将严重影响飞机的飞行安全⋯。除此之 外 ，液压管路和工作介质的物理参数及其布局方式等 均会对液压管路振 动特性产生较 大影 响。林 君哲 等 考虑流体黏弹性系数和脉动流因素，采用牛顿 法建立航空发动机液压管路的非线性流固耦合振动数 学模型；陶瑜华等 围绕液压管路振动问题 ，对某 型号飞机进行液压系统脉动应力的数值模拟，为复杂 管系的设计 及强度分 析提供 了理论依据 ；包 日东 等 一 深入研究 了不 同边界条件下输 流管道 的动力 学 特性 ，数 值 模 拟 管 道 振 动 参 数 之 间 的 耦 合 关 系 ； K U I P E R等 研究了垂直悬臂充液管道的动态稳定 性 ，对 P A I D O U S S I S的 理 论 预 测 进 行 了试 验 研 究 ； H A N S S O N等 围绕在一维流体作用下充液管道流固 耦合振动问题开展有限元分析。 文中建立了部分液压管道的三维模型，运用有限 元法计算在周期性脉动流体作用下某型飞机液压管路 振动响应特性，深入分析不同管道材料对不同位置管 路系统振动响应的影响，并提出改善飞机液压管路减 振性能 的方法 。 1 飞机液压管路振动机制 飞机液压管路系统中常见的激振源为泵的压力脉 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 0 7 基金项目国家自然科学基金资助项 目 5 1 1 7 5 3 7 8 ， 5 1 2 7 5 3 5 6 ；航空科学基金资助项 目 2 0 1 2 0 7 3 8 0 0 1 ， 2 0 1 2 8 0 3 8 0 0 3 作者简介李晶 1 9 7 2 一 ，女，博士，副教授，主要从事流体传动与控制研究。Em a i l C y n t h i a _ l i t o n g j i ． e d u ． c a 。 6 机床与液压 第 4 2卷 动 与各种 阀切换造成 的压力脉 冲。截取某型飞机液压 系统从柱塞 泵 出 口到负 载 的一段 液压 管 路为 研 究对 象 ，利用集中参数法对飞机液压管路系统流动特性进 行建模 ，且利用油液容积可压缩性对柱塞泵 的压力流 量进行耦合 ，分析柱塞泵的出口压力特性对液压管路 振 动特性 的影 响。液压 系统简化 模型如 图 1 所示 ， 为液压泵 与节流 阀之 间 的管道总 容腔容 积 ， z 为管道 长度 ， P 为管道压力 ；A为节 流阀过 流面积 ，c 。 为 流 量系数 ，Q 为流过节 流 阀的流量 ，p 为 节流 阀 回油 压力， 为油与管道的体积弹性模量。 图 1 柱塞泵所在液压管路系统简化模型 液压 泵的出 口流量 为各个 柱塞排 量之和 ，即 Q ∑q 1 节流 阀流量公式 Q 一 A √ p n P T 2 考虑流体的可压缩性，液压管路流体的连续性方 程 ，即 Q 一Q 3 由方程 1 一 3 联立可得 cqA 9 ㈩ 由式 4 可知 如果其 他条 件为恒定 值 ，当柱 塞泵各个柱塞耦合时形成流量 Q 产生脉动时，将引 起管道 内压力 P 的脉 动 ，而且压 力脉 动 的基 频与 流 量脉动的基频保持一致 。 为 了建立管道 中任意位置 的压力和柱塞泵 出 口流 量之间的关系 ，分析柱塞泵压力脉动引起液压管路的 振动响应特性 ，其管路流动特性方程为 r c o s h F Z s i n h F] 【 ] l 一 i h ， h厂 J【 ] c5 式 中P 为负载 的人 口压 力 ；Q 为负载 的入 口流量 ； p 为柱塞 泵 的 出 口压 力 ；Q 。 为 柱塞 泵 的 出 口流 量 ； 厂为传播算子，z 为特性阻抗。 由式 4 一 5 可知通过计算柱塞泵的出 口压力脉动 ，可得到液 压管路 任意 位置 的谐振 频率 、 振幅等分布参数特性。 2 飞机液压管路振动特性建模 2 ． 1 液压泵模型构建 根据上述理论分析可知 ，多个柱塞腔压力瞬时变 化的相互耦合形成了泵出口的压力脉动现象，所以对 每个柱塞腔建立流量模型。同时由于油液黏度对柱塞 泵 的泄漏量有很大影响 ，而 内泄漏量直接影 响柱塞泵 的出 口压力脉动特性 ，需建立泄漏流量模型 。柱塞相 对于缸体的往复运动 ，实现柱塞腔的交替吸排油动作 过程 ，为 了协调各个柱塞 的运 动关 系 ，需建 立柱塞 的 速度模型。液压油通过配流盘的腰形槽进出缸体容 腔 ，实现柱塞泵的配流工作过程，需要对配流盘进行 建模。因此 ，结合某型号轴向柱塞泵的结构参数，在 A ME S i m环境下搭建轴向柱塞液压泵液压模型，如图 2所示 。 ⋯ 们 一． -。 1 I； 图2 轴向柱塞泵液压模型 由于柱塞运动呈正弦周期性变化 ，液压油通过配 流盘 的腰形槽进 出缸体容腔 ，通过控制腰形槽 开度来 实现柱塞泵油液吸入 和排 出的周期性变 化过程 。液压 泵输出流量是随缸体旋转而呈周期变化的脉动流量， 导致柱塞泵输 出压 力脉动 也是正 弦周期 性脉 动波 形。 图 3所示为轴 向柱塞 的 9个柱塞腔合成 的压力脉动 曲 线 ，出口压力为 2 1 M P a 。通过搭建轴 向柱塞泵液压 模型，获取轴向柱塞泵的出口压力脉动曲线，作为液 压管路的压力载荷谱 ，分析实际工况下液压管路的振 动 响应特性 。 时间， s 图 3 轴 向柱 塞泵 压力 脉动曲线 第 1 1 期 李晶 等 周期性脉动流体对飞机液压管路振动特性的影响 7 2 ． 2 液压管路有限元模型构建 为了分析液压管路在周期性脉动流体工况下的振 动响应，截取从柱塞泵出口到负载的一段液压管路为 研究 对象 ，将液压管路 的三维模 型进行 网格划分 ，并 将 液压管路所受压力 载荷谱 引入 到有 限元模型 中 ，从 而实时观测 液压管路 的振 动响应情况 。 在这里 主要讨论三维模 型中不 同材料工况下周期 性脉动流体对液压管路 1和 2的振动响应特性的影 响。液压管道内部压力为轴向柱塞泵脉动载荷谱，如 图4所示。根据实际飞机液压管路材料，设置三维模 型中管路 的材料参数 ，如表 1 所示 。 图4 柱塞泵所在液压管路系统有限元模型 表 1 管路材料参数设置 3结果与分析 通过有 限元软件 A N S Y S 计算液压管路振 动幅值 ， 分析在不同管道材料下管道模型的振动响应特性 ，绘 制管路 1和管路 2在周期性脉动流体作用下不同位 置、不同方向上的位移响应曲线。 图 5 所示为管路 1 在垂直方 向 Z向上振动幅 值响应曲线。管路 1 在垂直方向上振动幅值波形与轴 向柱塞泵压力脉动波形保持一致，脉动幅值为 0 ． 0 0 2 m。铝合金液压管路振动幅值为 0 ． 0 1 9 m，钛合金液 压管路振动幅值为0 ． 0 1 2 m，4 5钢液压管路振动幅值 为0 ． 0 0 7 m。铝合金液压管路振动幅值最大，其原因 是铝合金材料的弹性模 量最小 ，且铝合金材料 的弹性 变形应力最小 ，导致铝合 金液压 管路容 易发生 弹性变 形 。因此 ，飞机液压管路 材料应该尽量选择 刚度较大 的材料，可降低在脉动流体压力作用下液压管路的振 动幅值。 图 6所示为管路 2在垂直方 向 Z向上振动 幅 值 响应 曲线。铝合 金液 压管 路 振动 幅值 为 0 ． 0 1 2 m， 钛合金液压 管路振 动幅值 为 0 ． 0 0 8 m，4 5钢液压管路 振动幅值为 0 ． 0 0 5 m。与管路 1 在垂直方向 z向 上的振动幅值 图5 相比铝合金液压管路振动幅 值下降 0 ． 0 0 7 m，钛合金液压管路振动幅值下降为 0 ． 0 0 4 m， 4 5钢液压管路振动幅值下降 0 ． 0 0 2 m。铝 合金液压管路振幅下降最大，其原因是管路 2与轴向 柱塞泵压力 源之 间的距离较远 ，液压管道 内周期性脉 动流体 的压力波受 管路 内部传递 时间的影 响 ，呈衰减 趋势 。因此 ，液压管路振动 幅值与液压管路布局设置 有关 ，合理布置液压管路布局可以有效地降低管路振 动位移量 。 1 4 5 钢 2 一钛合金材料 l 一4 5 钢 2 一钛合金材料 3 一 铝合 金 材料 卜 铝 合 金材 料 时 间， s 时 间， s 图 5 液压管路 1 振动 幅 图 6 液压管路 2振动幅 值响应曲线 Z向 值响应曲线 Z向 图 7所示为管路 1 在侧面方 向 向上 的振动 幅值响应 曲线。铝合金液压管路振动位移为 0 ． 0 1 3 m，钛合金液压管路振动位移为 0 ． 0 0 8 m，4 5钢液压 管路振动位移为 0 ． 0 0 5 m。与管路 1在垂直方向 z 向上振动幅值 图 5 相比，管路 1 在侧面方向 向上振动幅值有所降低 ，其原因是管路 1振动 幅值分 布规律 与液压 管道 弯曲形状有关 ，导致周期性 脉动 流体 的压力 波对 液压 管路 在 z方 向上 产生 较大 压力 冲击 ，在 方 向上 液压 管路 的压 力 冲 击较 小 ， 进 而引起液 压管路 振动的不均匀性 。这种液压 管路 的 不均 匀振动 现象容 易导致 管路破 裂。 图 8 所示为管路 2在侧面方 向 向上振动 幅 值响应曲线。铝合金液压管路振动幅值为0 ． 0 0 1 1 m， 钛合金液压管路振动幅值为 0 ． 0 0 0 8 m，4 5钢液压管 路振动幅值为 0 ． 0 0 0 4 m。与管路 2在垂直方向 z 向上振动幅值 图 6 相比，管路 2在侧面方向 向上振动幅值较小，其原因是管路 2与轴向柱 塞泵压力源之间的距离较 远 ，周期性脉 动流体 的压力 波在液压管路内壁呈衰减趋势，且与管路 2弯曲形状 有关 ，导致脉动压力主要集中在液压管路 2的垂直方 暖 警 l 8 5 2 9 6 8 机 床与液 压 第 4 2卷 向 Z向上 ，而液压管路 2在侧面方 向 向上 所受压力 冲击有所 降低 。因此 ，采用 在管路 2的垂直 方 向和侧 面方 向上安装 卡箍的方法 ，可以优化液压管 路布局，降低液压管路振动幅值 ，防止液压管路破裂。 l 一4 5 钢2 一 钛合 金材 料 1 4 5 钢卜 钛 合 金材 料 3 一 铝 合金 材料 卜铝合 金材 料 l 5 目 墨 1 2 ， 蜷 瞧6 抽 3 2 1 ． 塞 。 ． 羹。 ． 盍o ． 0 ． o 0 0 ． 0 l 0 ． 0 2 0 ． O 3 0 ． 0 4 0 ． 0 5 0 ．o o o．01 0 ． 0 2 o ． 0 3 0 ． 0 4 0 ． 0 5 时 间， s 时间， s 压管路产生较大压力冲击 ，从而降低液压管路在轴线 量 1 4结 论 1 在周期性脉动流体作用下不 同材料参数影 响 液压管路的振动特性。弹性模量最小的铝合金液压管 路，该液压管路的振动幅值最大 ， 4 5号钢液压管路 的振动幅值最小 。 2 在周期性脉动流体作用下 ，液压管路布局设 置影响液压管路的振动特性。液压管路的振动幅值随 着液压管道与轴向柱塞泵压力源之间的距离增加而降 低 。合理设 置液压 管道布 局可以有效地 降低管路振动 幅值 。 3 在周 期性 脉动 流体 作用 下液 压管 路 在垂 直 方向 z向和侧面方向 X向的振动幅值较大， 而沿着轴线方向 Y向上振动幅值较小，容易引起 液压 管路振 动的不均匀性 。在液压管路振动幅值最大 的方向上安装卡箍 ，可以有效地减低液压管路振动 幅 值，防止管路破裂，提高液压管路的使用寿命。 参考文献 [ 1 ]李彦江， 张立圣， 刘永寿， 等． 飞机燃油管路压力脉动分 析[ J ] ． 飞机设计， 2 0 0 9 ， 2 9 5 3 7 4 2 ． [ 2 ]林君哲， 周恩涛， 杜林森， 等． 流体参数对航空发动机液 压管路振动特性 的影 响 [ J ] ． 东北 大学 学报 自然 科学 版 ， 2 0 1 2 ， 3 3 1 0 1 4 5 41 4 5 8 ． [ 3 ]阎祥安， 张承谱， 沈嘉琦． 周期性脉动流体的管路输送系 统压力分布求解[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 1 3 3 8 4 O ． [ 4 ]陶瑜华， 黄佑， 邹涛． 某型飞机液压系统流固耦合仿真与 脉动应力分析 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 0 1 6 6 1 6 8． [ 5 ]潘陆原， 王占林， 裘丽华． 飞机液压能源系统管路振动特 性分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 0 6 2 0 2 1 ． [ 6 ]包 日东， 金志浩， 闻邦椿． 分析一般支承输流管道的非线 性动力学特性[ J ] ． 振动与冲击 ， 2 0 0 8 ， 2 7 7 8 79 0 ． [ 7 ]金基铎 ， 宋志勇， 杨晓东． 两端固定输流管道的稳定性和 参数共振[ J 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