卡箍對L形航空液壓管道振動影響研究

周知進(jìn)，丁一，林家祥，薛金鑫

(1.廣西科技大學(xué)機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西柳州 545006；2.貴州理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽 550000)

0 前言

變量柱塞泵被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)液壓系統(tǒng)，變量柱塞因其固有特性所產(chǎn)生的壓力脈動會導(dǎo)致系統(tǒng)中不必要的能量損耗，降低系統(tǒng)的工作效率，甚至?xí)悠渌艿酪黄鹫駝?，從而?dǎo)致管道、液壓組件壽命降低。因脈動流量輸出所形成的巨大壓力脈動可能讓系統(tǒng)中管道支撐結(jié)構(gòu)遭到破壞，以至于支架剛度無法保證其原有特性，造成管道系統(tǒng)失效、液壓油外漏，從而引發(fā)重大飛行事故[1]。

管道振動可分為2種：自激振動、強(qiáng)制振動。管道的自激振動是指當(dāng)管道的運(yùn)動和管道內(nèi)的流體運(yùn)動相結(jié)合時發(fā)生的振動，通常稱為流量不穩(wěn)定。管道的強(qiáng)制振動是指管道內(nèi)部或外部受到流體載荷或機(jī)械載荷后發(fā)生的振動。夾具對管道系統(tǒng)的影響是強(qiáng)制振動，它可以改變管道的固有頻率。航空液壓管路系統(tǒng)因工作環(huán)境復(fù)雜、工況強(qiáng)度大，具有外部激勵復(fù)雜、內(nèi)部流體脈動劇烈、管道布局復(fù)雜、約束多等特點(diǎn)[2]。國內(nèi)外學(xué)者對航空液壓管路系統(tǒng)進(jìn)行了很多相關(guān)研究。郭長虹等[3]利用矩陣傳遞法，建立了液壓管道傳遞矩陣的動力學(xué)模型，分析管道在工況下振動和沖擊載荷同時作用時的流固耦合振動。郭慶和范啟富[4]基于ANSYS對輸流管道進(jìn)行流固耦合分析，得出在不同支撐方式下動力學(xué)響應(yīng)存在的差異。李晶等人[5]研究周期性脈動流體對飛機(jī)管路固有頻率的影響，結(jié)果表明不同的管道材料和管道長度對管路振動固有頻率有一定程度影響[5]。付永領(lǐng)和荊慧強(qiáng)[6]研究了彎管轉(zhuǎn)角對液壓管道振動特性的影響，探討了航空泵非定常流速下彎管轉(zhuǎn)角對該管道振動特性的影響。張大千和鐘林林[7]對飛機(jī)液壓管路系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)仿真分析，并與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證了流固耦合仿真的可靠性。沈鵬飛[8]對鈦合金管道進(jìn)行模態(tài)分析，得到管道高階振動時所受應(yīng)力較大的規(guī)律，并探究了管道在不同激振力作用下流量、壓力對振幅的影響。呂慧[9]對飛機(jī)液壓管路進(jìn)行了動力學(xué)分析，得出管道的參數(shù)對振動幅值的影響。綜上所述，目前國內(nèi)對液壓管路的研究主要采用傳遞矩陣法、特征線法或商用有限元軟件建模來求解管路的頻域和時域特性。因此，本文作者利用ANSYS分析不同數(shù)量卡箍、不同卡箍位置對固有頻率的影響及添加卡箍的L形管道的液壓脈動。

1 理論模型

在無外載作用下的管道模態(tài)分析為無預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，又稱為自由模態(tài)分析，可得到?jīng)]有流體作用下的輸流管道固有頻率、振型及振動幅值分布情況。輸流管道的微分方程如下：

(1)

在不考慮阻尼和外部應(yīng)力的情況下，C和F(t)都為0，則式(1)可簡化為

(2)

對于線性系統(tǒng)，上式的解的形式為

χ=φicosωit

(3)

式中：φi為i階模態(tài)對應(yīng)振型的特征向量；ωi為i階模態(tài)固有頻率；t為時間。

將式(2)代入式(3)中有：

(4)

φi不能全為0，所以：

(5)

振動頻率ωi由上式求解，ANSYS中輸出頻率換算式為

(6)

2 仿真建模

2.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

應(yīng)用SolidWorks三維建模軟件對卡箍、管道、流體進(jìn)行模型的建立和裝配。由于文中僅考慮卡箍位置和數(shù)量對管道振動的影響，對卡箍模型進(jìn)行簡化。將模型保存為.x.t格式文件，導(dǎo)入ANSYS Workbench15.0仿真平臺。假設(shè)整個管道是同向且均質(zhì)的圓管，管內(nèi)流體作低速且沒有摩擦效果的運(yùn)動，忽略流體中的體積分離及氣穴等現(xiàn)象[10]。管道幾何模型、網(wǎng)格劃分分別如圖1、圖2所示。

圖1 管道幾何模型 圖2 管道網(wǎng)格劃分

2.2 管道物理參數(shù)

在模型中，將整條管路和壓接接口的接觸面定義為綁定接觸。在管道兩端和卡箍面上施加固定約束。假定管道在常溫環(huán)境下，流體為溫度25 ℃的航空油(忽略溫度影響)。管道流體進(jìn)口初速度為5 m/s，設(shè)定出口端壓力為泵源激勵[22+1.5sin(400t)]MPa。為更加真實(shí)地模擬液壓系統(tǒng)在實(shí)際工況下的工作環(huán)境，管道內(nèi)壁定義為流固耦合面。液壓管道材料為鋼管，具體參數(shù)如表1所示。

表1 液壓管道物理參數(shù)

3 仿真分析

3.1 卡箍數(shù)量對L形管道振動影響研究

選取L形管道直管部分1/3、1/2、2/3處作為卡箍的不同約束點(diǎn)位，對L形管道添加不同數(shù)量的卡箍后進(jìn)行仿真分析，研究L形管道振動受卡箍數(shù)量的影響。仿真得到不同數(shù)量卡箍L形管道的前6階固有頻率以及不同數(shù)量卡箍約束下的管道變形。圖3—圖6所示為不同數(shù)量卡箍約束下2階固有頻率下的變形，圖7所示為不同數(shù)量卡箍約束下管道的前6階固有頻率。

圖3 無卡箍時2階固有頻率下管道的變形

圖4 1對卡箍時2階固有頻率下管道的變形

圖5 2對卡箍時2階固有頻率下管道的變形

圖6 3對卡箍時2階固有頻率下管道的變形

圖7 不同數(shù)量卡箍約束下管道的前6階固有頻率

由圖7可知：L形管道在有1對卡箍約束時，管道的前6階固有頻率有顯著的提高，其中3階以上的固有頻率增幅較顯著，這說明添加卡箍后管道系統(tǒng)固有頻率明顯提高，可為避免發(fā)生共振研究提供參考；在原有卡箍基礎(chǔ)上繼續(xù)添加卡箍，管道固有頻率也會有一定程度的提高，但是提高的幅值相較于無卡箍管道在添加1對卡箍后的增長幅值低，說明在管道長度一定的情況下，適當(dāng)增加一定數(shù)量的卡箍可以有效提高管道固有頻率。

3.2 卡箍約束位置對管道振動影響研究

將靠近彎管處的位置定為1號位。利用不同數(shù)量的卡箍分別對管道的不同位置進(jìn)行約束，仿真得出卡箍約束不同位置對管道振動的影響。圖8—圖12所示為卡箍約束不同位置時，管道在2階固有頻率下的變形。其中，2對卡箍2、3號位時2階固有頻率下管道的變形云圖如圖5所示。不同卡箍約束下管道的變形如圖13所示。

圖8 1對卡箍1號位時2階固有頻率下管道的變形

圖9 1對卡箍2號位時2階固有頻率下管道的變形

圖10 1對卡箍3號位時2階固有頻率下管道的變形

圖11 2對卡箍1、2號位時2階固有頻率下管道的變形

圖12 2對卡箍1、3號位時2階固有頻率下管道的變形

由圖13可知：卡箍的約束位置對管道的固有頻率有明顯影響，對比1對卡箍的不同約束位置，當(dāng)卡箍的約束位置越接近彎管時，管道的固有頻率越大，且卡箍往遠(yuǎn)離彎管處移動時，移動相同距離管道固有頻率雖都有提高，但提高的程度逐漸減?。粚Ρ?對卡箍約束時，發(fā)現(xiàn)卡箍約束在1號位置時彎管的固有頻率都會大于沒有約束1號位置的固有頻率，且在同時約束1號位置時，第2個卡箍約束越靠近彎管位置固有頻率越大。綜上所述，卡箍的約束位置對管道的固有頻率有較明顯的影響，同等情況下，卡箍位置越靠近彎管處，管道的固有頻率越大，所以適當(dāng)調(diào)整卡箍約束位置可明顯提高管道頻率。

圖13 不同卡箍位置約束下管道的固有頻率

3.3 添加卡箍的L形管道液壓脈動分析

分別分析1對、2對和3對卡箍L形管道在流體脈動激勵下的液壓脈動，給定入口流速為5 m/s、出口壓力為[22+1.5sin(400t)]MPa。分析得出不同卡箍數(shù)量情況下L形管道液壓脈動應(yīng)力云圖如圖14—圖16所示(放大圖為管道范式應(yīng)力最大點(diǎn)截面)。

圖14 1對卡箍范式應(yīng)力云圖

圖15 2對卡箍范式應(yīng)力云圖

圖16 3對卡箍范式應(yīng)力云圖

實(shí)際情況下，給管道加載一個脈動流體時，當(dāng)流體通過彎曲部分時，因為其流體流動方向發(fā)生改變，所以會對彎曲處內(nèi)壁施加較大的作用力，如圖中L形管道液壓脈動最大范式應(yīng)力均在L形管道彎曲處內(nèi)壁，與實(shí)際結(jié)果一致。

由圖14—圖16可知：1對卡箍L形管道流體脈動最大范式應(yīng)力為181.9 MPa，2對卡箍L形管道最大范式應(yīng)力為161.2 MPa，3對卡箍L形管道最大范式應(yīng)力為157.9 MPa，對管道添加卡箍約束會提高管道強(qiáng)度，對內(nèi)部流體造成一定約束，使其內(nèi)部流體脈動趨于平緩，所以最大應(yīng)力會有所減??；2對卡箍最大應(yīng)力相對于1對卡箍降低了20.7 MPa,降低了11.4%；3對卡箍最大應(yīng)力相對于2對卡箍降低了3.3 MPa，降低了2%。隨卡箍數(shù)量的增加，卡箍約束對管道流體脈動最大應(yīng)力的影響降低。因此，適當(dāng)添加卡箍可以有效降低管道在流體脈動下的隨機(jī)振動。

4 結(jié)論

(1)在管道長度一定的情況下，適當(dāng)增加卡箍數(shù)量可明顯提高管道固有頻率，但持續(xù)增加卡箍約束，管道固有頻率增長幅值逐漸降低。

(2)卡箍的約束位置對管道的固有頻率有較明顯的影響，同等情況下，卡箍約束位置越靠近彎管處，管道的固有頻率越大，所以適當(dāng)調(diào)整卡箍約束位置可明顯提高管道固有頻率。

(3)隨著卡箍數(shù)量的增加，管道在脈動流體作用下的最大范式應(yīng)力逐漸減小，但卡箍約束對管道流體脈動最大應(yīng)力的影響幅值降低。因此，適當(dāng)添加卡箍可以有效降低管道在流體脈動下的隨機(jī)振動。