航空发动机液压管路振动特性分析

航空发动机液压管路振动特性分析

周逃林

国营长虹机械厂 广西 桂林 541002

摘要：航空发动机的液压管路系统是航空发动机重要的附件装置之一。大多数的飞机故障是由航空发动机异常造成的，而航空发动机液压管路的突然破裂是造成发动机故障的主要原因之一，液压管路的破裂与管路系统的振动密不可分。

关键词：航空发动机；液压管路；振动

一、管路流固耦合振动数学模型

液压管路振动环境复杂，需要建立一个能够完整描述管路和流体相互耦合作用的振动数学模型。管路流固耦合经典振动方程模型主要有4-方程模型、6-方程模型和8-方程模型，这些振动模型适合分析简单的直管或者弯管问题，而对于复杂的管路系统振动问题则不能够完整描述，需要建立目前流行的14-方程。基于经典水锤理论，考虑摩擦耦合和泊松耦合作用，忽略了径向惯性力的影响，建立能够描述管路轴向、横向、扭转振动的动力学方程。

论文主要研究管路内部流体激励对管路结构振动特性影响，为了去除不关心的结构模型和减小外界干扰，需要对液压管路系统进行简化处理。首先排除发动机机匣对管路结构的激励，将发动机机匣隐去：其次将管路相连两端的EDP模型和管接头模型去除，将管路两端视为固定约束。

ANSYS Workbench为流体网格划分提供了多种策略，对于每种策略都有特定的默认值以针对分析的特定需求，主要的流体网格划分策略有：

(1)四面体网格的贴合划分，改方法虽然是完全自动化的，但它可以根据需要与其他网格控件和功能进行交互，包括：先进的四层和膨胀层技术收缩控件、用于删除网格级别的小特征(作为虚拟拓扑的替代品，可在几何级别使用)、高级尺寸功能控件，可提供对网格分布的更好控制保形扫掠区。

(2)全六角扫略网格，它支持单一来源到单一目标体积，并且可能需要执行手动几何分解。这种方法的好处包括：支持高级尺寸功能控件与修补贴合Tetra网格的兼容性，支持膨胀层扫略。

(3)多区域网格划分法，改策略提供了多级扫描功能，可将几何结构自动分解为映射(结构化)和自由(非结构化)区域。定义多区域网格方法时，可以指定映射的网格类型和自由的网格类型，分别用于填充结构化区域和非结构化区域。根据用户设置和特定模型，网格可能包含十六进制/棱镜/四元元素的混合。多区域网格划分方法与扫略网格方法的操作类似，但是多区域划分法的支持3D膨胀层以及选择性忽略小特征的功能使其适用范围更广泛。

二、液压管路ANSYS瞬态仿真分析

模态分析可以用来确定结构的固有频率和模态特征，固有频率和振型是动态载荷作用下结构设计的重要参数，在进行频谱分析、振型分解以及瞬态分析之前也需要先完成模态分析。模态分析模块中可以对预应力结构执行模态分析，另一个有用的功能是模态循环对称性，它使您可以通过仅对它的一个扇区建模来查看周期性对称结构的模式形状。ANSYS中的模态分析是线性分析。即使已定义任何非线性，如可塑性和接触(间隙)元素也将被忽略。模态提取方法主要有：分块兰索斯法、超节点法、子空间法、预条件共梯度兰索斯法、非对称法、阻尼法和QR阻尼法。其中阻尼法和QR阻尼法可以在结构中考虑阻尼的影响，QR阻尼方法还允许非对称阻尼和刚度矩阵。

在论文模型中，首先将流体压力作用于管路内壁面上，将管路两端视为固定约束，对包含流体的液压管路进行前六阶固有频率分析，此外在相同约束下再对不考虑流体的空管进行模态分析。对比不考虑流体的空管固有频率结果，两种管路前六阶固有频率变化趋势。液压管前六阶固有频率均大于空管的固有频率，这是因为流体本身质量带来的附加质量力以及高压冲击力对管路的内部约束造成的。

提取液压管路前六振型管路在一阶和二阶固有频率接近，因此一阶二阶振动都集中在长直管段中部；三阶振动主要集中在管路的两个弯管处，其中第一个弯管处，即更靠近EDP出口的弯管处出现的振动能量更大；四阶振动重新回到长直管中间位置，而五阶振动分布在两个弯管处和长直管中间处；六阶振动情况比较复杂，振动位置与前五阶振动位置都不同。综合分析可知，液压管路在低阶的共振面积更大，共振区域大多发生在长直管段以及各个弯管折转区域，后续优化研究重点考虑减小这些区域的共振破坏。

三、某液压系统的新型主动式消振蓄能器的设计

蓄能器按其结构分，通常有重力式、弹簧式和充气式等几种；按气液隔离的方式分由气液直接接触式、活塞隔离和皮囊隔离等几种。其中应用最普遍的是利用皮囊气液隔离的充气式蓄能器，其次是活塞气液隔离的弹簧式，重力式则应用的比较少。上面所述的蓄能器均属于被动控制的范畴，而在本章中将试图设计一种主动式的专门用于消除液压脉动的新型消振蓄能器。

对于某型战斗机的液压系统来说，内部压力高达28MPa，对蓄能器的性能提出了更高的要求。研究人员曾经设计过可变容腔(非实时)的蓄能器，地面试验证明其对某一固定的油压脉动频率有一定的消振效果，但是不能在整个战斗机液压系统的工作频带内都有效，而上一章的推导结果已经证明了主动式压电陶瓷结构蓄能器的消振作用。本章的内容就是根据前述理论，具体设计在结构、强度、功能上适用于该型号战斗机液压系统的新型消振蓄能器。

3.1 蓄能器总体设计

主动消振蓄能器设计应考虑以下几个方面：

1)蓄能器的整体尺寸及连接处应与液压系统相配套，实现无障碍安装。

2)蓄能器的性能应满足响应快、输出力大。

3)结构简单，强度满足液压要求，密封性能好，可靠性高。

4)安装、维护方便。

5)针对管道内流体压力脉动的特殊环境，采用压电陶瓷作为动作器。

根据上述几个方面的要求，在AUTOCAD平台上设计出该蓄能器的二维加工图，并且根据二维CAD图加工制造出该款新型主动消振蓄能器。

3.2 蓄能器细节设计

蓄能器的设计比较复杂，经过许多次的修改和完善才基本完成，其中涉及到分支管径与腔体内径、活塞、密封、壁厚和动作器设计等的各方面设计。

3.2.1分支管径与腔体内径

从流体脉动在管路中的传播特性可知，增大分支管径有助于获得更好的消振效果，但是管路中的管径变化将会给设计加工带来诸多不便，并可能带来新的问题，并且还要考虑到与液压系统主管路的连接，因此，在实际设计中，令蓄能器分支管径与液压泵出口管径相等。

对于腔体内径来说，也是稍大一点比较好，越大就会产生更大的反相脉动量，但是必须考虑到该型战斗机液压系统中的空间大小，并且也不能太小，必须能够放置压电陶瓷动作器。

3.2.2 活塞

由于腔体内径和材料的限制，活塞的尺寸和质量也就只能在一定范围内选取，和其他参数相比，活塞变化的范围更小，宜首先确定。活塞直径必须略小于腔体内径，以便安装，厚度的选取与活塞质量相关，适宜即可。

结束语

(1)深入完善发动机驱动泵的脉动机理研究，许多潜在的脉动影响因素如泵的油液特性、柱塞腔室泄漏等因素，可以通过数值计算和试验相结合的方法进行更深入的研究。

(2)考虑发动机机匣传导的激励对管路振动特性的影响，结合管路内部流体激励，充分考虑发动机管路的振动环境，从多源激励的角度研究管路振动。

(3)对于流体压力脉动激励管路振动的研究，可以考虑搭建试验平台，通过实验方法完善管路流固耦合振动研究。

参考文献

[1]彭刚，于乃江，贾文强.航空发动机外部管路的结构与动力学特征参数分析[J].航空发动机，2017,43(05)：1-6.