飞机液压管路冲击响应分析.pdf

第4 0 卷第4 期 2 0 1 0 年7 月 航空计算技术 A e r o n a u t i c a lC o m p u t i n gT e c h n i q u e V 0 1 4 0N o 4 J u l 2 0 1 0 飞机液压管路冲击响应分析 周 红1 ，刘永寿1 ，邵小军2 ，岳珠峰1 ( 1 西北工业大学工程力学系，陕西西安7 1 0 1 2 9 ；2 西北机电工程研究所，陕西成阳7 1 2 0 9 9 ) 摘要：分析了液压冲击引起管路系统振动的机理和原因，给出了水击压强和水击波速的计算公 式。利用有限元软件A B A Q U S 建立了某型飞机液压管路系统的三维模型运用显式积分计算液压 冲击下管路系统的振动响应，考虑了不同管道材料和边界条件对管路系统振动响应的影响。结果 表明，液压冲击能引起悬空管柬剧烈的振动响应，在管接头加卡箍和提高管道材料的刚度能较好地 改善管路系统的抗振性能。 关键词：液压冲击；有限元法；液压管道；振动响应 中图分类号：V 2 4 5 1文献标识码：A 文章编号：1 6 7 1 6 5 4 X ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 0 1 0 3 引言 在飞机肩动、停泵或者大机动飞行时，伴随阀门、 节流器等控制装置地开闭，管内油液流动状态发生突 变，会使管道内流体压力在瞬时急剧上升或下降，形成 一个液压高峰或低谷，这种现象称为“液压冲击”。 液压系统在正常工作状态下，油液的压力脉动只 会引起管道微弱振动。但是液压冲击则不然，实测表 明液压冲击产生的压力峰值是正常工作压力脉动幅值 的4 1 0 倍J ，突然变化的压力会以压力波的形式沿 管道传播，能够激起整个管路系统强烈振动，轻者影响 系统T 作精度，重者会损坏密封装置、管道接头和精密 仪表，直接威胁系统的稳定和安全工作，因此液压冲击 现象引起了国内外越来越多学者的兴趣- 2 “J 。统计表 明，四成的液压系统故障是由振动和冲击这些动载荷 引起的，显然，液压冲击载荷是管道不可回避的主要动 载荷之一，是引起液压管路系统失效的重要原因。 目前，飞机( 特别是军用飞机) 的进一步发展也对 飞机液压系统提出了更高的要求，飞机的液压系统将 朝着高压化、大功率、质量轻、多余度等方向发展。据 国外有关研究成果和资料表明，提高系统压力是实现 系统减重的有效途径，美国已经研制出了5 6M P a 液压 系统，该系统可使系统重最减轻3 0 ，体积减少4 0 。 然而，高压管道引起的液压冲击会更强烈，剧烈地振动 会造成管道元件破坏甚至断裂。因此，研究液压冲击 管道振动响应及其控制方法具有一定现实意义。 本文建立了部分液压管道的i 维模型，运用有限 元法计算某型飞机液压管路系统在液压冲击下的振动 响应，并深入分析了不同管道材料( 普通钢和铝合金) 和边界条件对管路系统振动响应的影响，并提出了一 些改善液压系统抗振性能的方法，最终为液压系统的 设计提供了一定理论依据。 l 液压冲击理论分析 1 1 水击压强计算公式 目前，对于一般液压冲击问题可以采用直接水击 压强公式计算，此公式由动量定理推导。例如，取如 图1 所示流段为研究对象，某时刻t 有一水击波由下游 传至1 1 截面，经过t 时间后，该水击波传到了2 2 截面，A l = a A t ，a 为水击波的传播速度。2 2 截面 上游侧未受水击影响，压强为P ，流速为。，液体的密度 为p ，管道的截面积为A 。2 2 截面下游水流受到水 击影响，压强变为P + A P ，流速变为秽+ A v ，液体密度 变为p + A p 。 PP + P 御+ 2 W l 图1 水击压强计算图 在A t 时问内，流段z 液体的动量增量为： 收稿日期：2 0 0 9 一l l 一2 3修订日期：2 0 1 0 0 1 1 5 基金项目：国家8 6 3 计划基金资助项目( 2 0 0 7 A A 0 4 2 4 0 4 ) ；陕西省自然科学基础研究计划资助项目( S J 0 8 A 1 7 ) ；西北工业大学科技创新基金资助项目 ( 2 0 0 8 K J 0 2 0 1 9 ) ；高等学校学科创新引智计划资助项目( 1 3 0 7 0 5 0 ) 作者简介：周红( 1 9 8 7 一) ，男，江苏苏州人，硕士研究生，研究方向为工程力学中计算机仿真与动态分析。 万方数据 航空计算技术 第4 0 卷第4 期 ( p + A p ) ( 口+ A v ) A A l p A v A l 一( A v ) A l 外力冲量为：一( P A ) A t 由动量定理得：A ( p A v ) A l = 一( 刚) t 即：A P = 一叩A v( 1 ) 上式可用于普通直接水击压强计算。 1 2 水击波速计算公式 由质鼍守恒原理，在时间内流人与流出液体的质 量差与其质量增量相等，可得： 一( p a v ) A t = A ( 9 4 ) Z p AA v 一秽A ( p A ) = ( 印) a 即： d A ( 一) = 一p A A v ( 2 ) 由( 1 ) 式及液体弹性系数定义： 扯等，筘= 对于薄壁圆管：A = 仃D 2s O - _ 等 则，( 2 ) 式可变为： O l ：_ 丝兰( 3 ) = = 二二二二二=I jJ 1 + k D E 8 上式即为水击波速的计算公式。 2 有限元计算分析 2 1 模型介绍 本文以图2 所示飞机液压系统中部分管路为研究 对象，建立如图3 所示的部分液压管路的三维模型。 当阀门突然关闭，管道中流体流速骤然降至零，阀门前 段流体受阻停止流动并导致液压升高，流体压缩。紧 邻段处于上游侧的流体则继续流动，并有流体流入压 缩而空出的空间。空间填满后紧邻第二个微元段流体 又停止流动，压力升高并继续压缩，如此不断的向上游 传去，形成压力波动。这时从管系末端开始，降压波按 相反的方向传播过来，直到阀门处，如果忽略管道阻 尼，这种升压、降压的过程将反复振荡下去。压力的脉 动会在弯管和异径管处会产生激振力Mo ，在空间复杂 的管路系统，这种激振力往往会引起其剧烈振动。 图2 某型飞机液压系统示意图图3 管路三维模型 2 2 计算分析 本文根据( 1 ) 式确定阀门开闭时管道系统所受的 瞬时冲击力，并将液压冲击力作为外界冲击载荷加载 在管路系统上。假设阀门在0 2 5s 内关闭，流速的变 化量A v = 1 0m s ；管道内压为2 1M P a 时，管道内流体 的密度和弹性模量3 分别为P = 8 0 8k g m 3 ，K = 17 3 5 M P a ；管道的外径和壁厚分别为R = 1 0m m ，8 = 1m m ； 管道材料分别取普通钢和铝合金，其密度、弹性模量和 泊松比分别为l p l = 78 0 0k s n 1 3 ，E I = 2 1 0G P a ，口l = 0 3 ；p 2 = 28 0 0k g m 3 ，E 2 = 7 1G P a ，啦= 0 3 3 ( 下标“1 ”为 普通钢，下标“2 ”为铝合金) 。将上述参数代人( 1 ) 式和 ( 3 ) 式，计算得到不同管道材料的液压冲击力分别为：E = 3 4 0K N ，R = 3 0 5K N 。为了简化分析过程，将冲击 力取为j 角脉冲形式，仅考虑首相水击，其持续作用时 间为0 2 5s ，在0 1 2 5s 时载荷达到最大值。 运用有限元软件A B A Q U S 显式积分，计算管道模 型在不同的边界条件和管道材料下振动响应，并绘制 了2 号节点和4 号节点在液压冲击下的位移响应。 工况一：管道材料：普通钢；边界条件：1 号节点和 5 号节点固定。 在液压冲击载荷作用下，管道上不同位置( 2 、4 号 节点) 在不同方向的位移响应如图4 。 图4 位移响应( 工况一) 工况二：管道材料：普通钢；边界条件：1 号节点和 5 号节点同定，3 号节点加卡箍( 轴向自由) 。 在液压冲击载荷作用下，管道上不同位置( 2 、4 号 节点) 在不同方向的位移响应如图5 。 【x 1 _ l 笱 等 吾 。 匿雯耍圈 甜节点在W 方向的位移响应 ( 实线和虚线嘲 T j m P 卜IIP JP 、H I 一2 一I 、：7 、F T BJ L 2P I P L R T - 2 一lN ：7 、与T B I 4 # 节点在弦方向的位移响应 ( 实线和虚线嘲 图5 位移响应( 工况二) 万方数据 2 0 1 0 年7 月周红等：飞机液压管路冲击响应分析 3 工况= 三：管道材料：铝合金；边界条件：1 号节点和 5 号节点固定。 3结诊 在液压冲击载荷作用下，管道上不同位置( 2 、4 号 本文在分析了液压脉冲引起管道振动的机理和原 节点) 在不同方向的位移响应如图6 。 因，给出了液压脉冲及水击波速的计算公式。建立了 部分飞机液压管路系统的三维模型，运用有限元法计 算了管路系统在液压冲击作用下的振动响应。分析和 对比管道在不同材料和边界条件下的振动响应，可以 发现，液压冲击会引起管道系统较强烈的振动响应，柔 性管道的响应更剧烈，建议对承受液压冲击力较大的 管路采用刚性材料。为了防止在液压冲击引起管道振 动响应过大而导致管道破裂，建议在设计允许的情况 下，在管道连接部位用卡箍卡紧。 图6 位移响应( 工况三) 由图4 的位移响应可以看出，液压冲击会引起管 道系统剧烈振动，这种振动会引起管道系统受力变形， 减少其抗疲劳性和工作寿命，严重时会造成管道元件 的破坏甚至断裂。 分析图4 和图5 位移响应可以发现，在适当的节 点处加卡箍可以有效地控制管道系统的位移和速度响 应。在工程实际中，为了防止悬空管束在液压冲击作 用下，相互之间位移过大而导致管道之间的不断碰撞 冲击，建议在设计允许的情况下，在管道之间采用卡箍 卡紧。 分析图4 和图6 位移响应可以看出，柔性管道在 液压冲击作用下会引起更大的位移响应。由于飞机管 路结构中大量使用了其他一些刚度较弱的软管( 如聚 乙烯管、金属编织管) ，此时，液压冲击波会引发管道更 强烈地振动。因此，在承受液压冲击较大的管道应采 用刚性管道连接。 参考文献： 1 周瑞祥，苏新兵，王建平，等飞机燃油管路切断阀关闭时 水锤压力的影响因素分析 J 液压与气动，2 0 0 3 ( 1 0 ) ：2 4 2 6 2 J a y a r a jK o c h u p i l l a i ，G a n e s a nNC h a n d r a m o u l iP a d m a n a b h a n AN e wF i n i t eE l e m e n tF o r m u l a t i o nB a s e do nt h eV e l o c i t yo f F l o wf o rW a t e rH a m m e rP r o b l e m J I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f P r e s s u r eV e s s e l sa n dP i p i n g ，2 0 0 5 ( 8 2 ) ：1 一1 4 3 B e r g , a n tA ，S i m p s o nAR ，Y i j s s e l i n gAS W a t e rH a m m e rw i t h C o l u m nS e p a r a t i o n ：AH i s t o r i c a lR e v i e w J J o u r n a lo fF l u - i d sa n dS t r u c t u r e s ，2 0 0 6 ( 2 2 ) ：1 3 5 1 7 1 4 DS c i a m a r e l l a ，GA r t a n a Aw a t e rh a m m e ra n a l y s i so fp r e s s u r ea n df l o wi nt h eV o i c ep m