基于ANSYS的飞机液压管路系统流固耦合分析

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(上海飞机设计研究院 民用飞机模拟飞行国家重点实验室， 上海　201210)

引言

管路动态特性研究的中心内容之一是管路内流体非恒定流动的动态行为及流体振荡与管道机械振动之间的流固耦合振动问题。现代飞机液压系统大多采用变量柱塞泵，脉动式的流量输出是其固有特性。流量脉动经过管路系统的阻抗变换，产生压力脉动，管路中的压力脉动容易导致两种耦合振动。一种是脉动频率与流体谐振频率接近时的耦合振动，该振动压力脉动幅值达峰值，从而使管路结构激振力达峰值，管路位移响应当然增大；另一种是脉动频率与管路系统结构的固有频率接近时，发生的流固耦合振动，该振动管道结构发生共振，位移响应达峰值。本研究着重研究了后一种情况。这些耦合振动有时是破坏性的，轻则使机件磨损、失灵、管路支撑结构失效，导管损坏，重则造成机毁人亡的事故。因此，研究管路道系统的流固耦合振动问题，对于液压管路系统具有重要意义。

1　管路系统流固耦合概述

流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用，固体在流体动载荷作用下会产生变形或运动，而固体的变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。实际上流固耦合问题是场(流场与固体变形场)间的相互作用，场间不相互重叠与渗透其耦合作用通过界面力起作用，若场间相互重叠与渗透其耦合作用通过建立不同与单相介质的本构方程等微分方程来实现。流固耦合的特点在于固体变形不仅取决于运动流体所给予的载荷， 而且又反过来影响流体的运动，从而又改变了作用于固体表面的载荷。

液压管路系统流固耦合振动一般存在以下基本规律：

(1) 当压力脉动频率与管路系统固有频率相近时，会产生流固耦合引起的振动现象，这种情况下的振动，会在很短的时间内会导致管路断裂；

(2) 压力脉动或者谐振后增强的压力脉动幅值比较大，作用在管壁上的应力值超过了管路的许用应力或其屈服应力，管路系统的疲劳寿命期会比较短，超过该周期会发生管壁破裂会管路断裂；

(3) 脉动压力的幅值比较小，但是可以产生通过管壁作用到管路支承结构的激振力，会使支承结构表面产生解除磨损，随着磨损的发展会导致支承结构刚度下降，严重的会导致支承结构破坏，这些结构都会使管路系统的固有频率降低，如果固有频率降低到和脉动压力频率相当就会发生共振，产生流固耦合，致使管路系统失效。

对于液压系统来说，油滤器在液压能源管路系统中是的一个分界，油滤器之前的管路系统，即液压泵至油滤器之间的管路系统，其动态特性决定了液压系统的管路动态特性，而油滤器之后的管路系统对液压系统管路动态特性的影响可以忽略，因此，对于任何复杂的液压系统，单纯研究液压泵至油滤器之间的管路系统的动态特性即可获得整个液压系统的管路动态特性。

2　实例分析

对飞机的液压管路系统流固耦合进行分析目前常用的两种分析方法包括：解析法和数值分析法。其中解析法存在建模困难、参数获取困难等缺点，并不适合工程应用。而数值分析法可以借助电子计算机轻松处理具有复杂边界条件的模型计算问题，利用数值解法对实际的管路模型进行近似求解。因而选用功能强大、适应领域广泛的大型通用有限元商用分析软件ANSYS，对飞机液压管路系统流固耦合进行分析。

在算法上，ANSYS主要采用分离解法也就是载荷传递法求解流固耦合问题。但从数据传递角度出发，流固耦合分析还可以分为两种单向流固耦合分析和双向流固耦合分析。其中，双向耦合因为求解顺序的不同可以分为顺序求解法和同时求解法，图1简单概括了基于ANSYS的耦合分析类型。

本研究以某机型飞机液压系统中其中一个泵出口与油滤之间管路为例，进行仿真分析。其管路简化模型如图2所示。

图1　ANSYS耦合分析分类

图2　管路简化模型

2.1　有限元建模

管路结构模型的发展经历了从梁模型到壳模型的转变。在早期的研究中大多采用管梁模型，即视管路为梁，其运动限于横向运动。20 世纪70 年代初，人们的注意力开始转向壳模型的研究。壳模型的提出不仅更准确地反映了实际物理系统，还揭示出许多梁模型难以解释的问题。本研究模型中，管壁采用壳单元，管内流体采用势流体单元。考虑流固耦合的作用，需在ANSYS中对流体和固体部分分别建模。

建模中，施加的边界条件和约束对管道的计算至关重要，其作用与影响有时远远大于压力载荷，因而必须仔细考虑现场参数，力求给出的约束与现场情况一致。计算模型中对支架对管道的约束可分别简化为固支和简支。简支约束处受约束的方向(与管道轴线垂直的方向)位移定为0，不受约束的方向(轴向)位移自由，另外三个转角自由；固支约束处，三个方向位移均限定为0，另外三个转角自由。本研究模型中，在管路两端施加固定约束：由于油滤是与机身相连，而且质量较大，故可以选油滤处为固支点，另一个固支端则在泵出处，和支管端部，在管夹处施加简支约束。

2.2　流固耦合模态分析

仿真分析中需要对飞机液压管路系统内油液的流场和管壁的机械振动进行耦合分析，过程中主要考虑流体对管壁的力作用以及管壁发生位移的反作用，本模型采用的顺序单向耦合法。

对有限元模型进行模态分析，本研究对考虑流固耦合和不考虑流固耦合的两种状态进行仿真分析，分析结果如表1所示，前6阶模态振型如图3所示。

表1　模态分析结果　Hz

备注：不考虑流固耦合状态下固有频率是单独考虑固体(管路)时的固有频率。

图3　考虑流固耦合状态下各阶模态振型

由仿真结果可得：

(1) 在实际管路系统中应考虑流固耦合对固有频率带来的影响，尽量使管路固有频率与激励源频率相差较大，以避免共振的发生；

(2) 这段管路的固有频率在1000 Hz以上，要远高于泵的脉动压力频率(根据试验数据，泵的脉动频率在560～610 Hz左右)，不会引起共振；

(3) 考虑流固耦合时管路系统的固有频率比不考虑流固耦合状态下的固有频率要明显下降；

(4) 模态振动中变形较大的部位为管夹至滤油器间的管路，与其约束较少和存在支管有关。

压力脉动的控制比较复杂，除反复计算、合理调整外，还需在某些部位设置诸如液流消振器、消振簧、储能器等装置，以消减或抑制压力脉动。相比之下，机械振动的控制要简单一些。例如加固或增设管系的支撑点就能显著提高系统的刚度，从而改变振动特性。一般在新机型设计之初，除了选择符合静强度和疲劳强度要求的支承结构材料及管道材料外，还需要对管路道系统进行必要的测试和调整，使管路系统的固有频率的应高于脉动压力频率的2～3倍，排除流体的脉动引发管路系疲劳破坏的可能性。

2.3　考虑流固耦合效应下的力学分析

在流体模型内添加流速边界条件，根据试验获得的流量脉动值，推算出管路中流体的速度变化值作为输入，入口处流速为最大流量时流速1.939 m/s，支管端部流速设为0。模型中未考虑热效应影响，未施加21.6 MPa的静压场。

流体压力与速度分布见图4。整个管路的压力损失约为0.13 MPa。管路中最大流速为2.341 m/s，在管路弯曲处，由于流体惯性影响，流速最大值与管路中心不重合。

图4　流体分析结果

管壁部分仿真结果见图5。由流速引起的最大应力约为3 MPa，因此在静态压力油作用下管壁最大应力约为24.6 MPa，最大应力处为支管与主管路连接处。位移最大约为1.8 mm，出现在支管附近的主管路上。

图5　管壁分析结果

从分析结果可得，管路在流体输送瞬变过程中流体的压力、速度以及管壁的变形位移、应力均有较大改变，因此，对管路系统进行力学分析时，流固耦合的影响是必不可少的分析因素。

为了验证有限元仿真分析模型的准确度，对实物管路系统进行了应力测试试验，对我们分析的这部分管路布置了两个测点，1测点在泵出口处，2测点在支管与主管连接处。 测试数据如图6、图7所示。

图6　测点1应变测试数据

图7　测点2应变测试数据

本研究分析的这部分管路材质为钛合金，其弹性模量为E=1.03×1011Pa,取相同某一时刻数据，根据测试结果计算可得，测点1的动态应力大约为2.1 MPa， 测点2的动态应力大约为25.6 MPa，与有限元仿真结果基本吻合。

3　结论

(1) 对液压系统管路进系统动态特性分析，一定要考虑流固耦合对系统动态特性的影响。在管路流固耦合振动问题中，固有频率研究可以直接应用于管道系统的振动控制中，对于管道安全运行意义重大；

(2) 流体的流动变对管道影响较大，管壁易发生变形，产生应力及支点易产生较大的反作用力，这对管路系统的安全运行有不可忽略的影响，因此对流体进行流固耦合数值模拟十分必要；

(3) 对液压系统管路进行ANSYS建模仿真分析,可以分析出管路设计是否合理,从而有效地对多种方案进行模拟分析,选择可行的方案,减少物理模拟,减少试验费用,提高设计效率。

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