振动及液压脉冲影响下的管路应力分析

赵孟文　樊泽明

摘 要：液压管路的故障失效及结构损伤，是航空领域非常关心的问题，通常是通过液压脉冲试验及振动试验进行检验与验证。文章通过理论分析及仿真，研究液压管路在振动及液压冲击影响下的应力变化。分析了无油液振动管路的应力变化、油液压力及液压冲击对管路应力的影响，并进行仿真分析。

关键词：振动；液压冲击；液压管路；应力分析；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.246

0 引言

飞机包含了很多的液压系统，充油管路的耦合振动，以及液压脉冲产生剧烈的高压力波动，普遍存在于液压系统中，是造成飞机液压管路的故障失效及结构损伤的主要原因，直接影响整个飞机的安全，是航空领域非常关注的问题。目前在新机型设计时，是通过振动台及液压脉冲台对液压导管做试验以检验液压导管的疲劳强度及寿命[1]。本文通过理论分析及仿真，研究在振动及液压冲击影响下的液压导管的应力变化，有很强的应用价值[2]。

1 管路应力计算

1.1 振动管路的应力分析

管路在外因影响下产生振动，振动形式为垂直方向的正弦振动，管路的运动轨迹为

在t时刻，管路在垂直方向加速度为

对于周期为的振动，

当管路内没有液体（系统压力=0）时，管路所受的应力可通过如下公式计算得到。

当加速度达到最大时，最大。

1.2 油液压强对管路应力的影响

实际应用时，管路内通入额定压力的油液。当管路振动时，管内液体也跟随管路做相同的运动。对于管内液体，其受力图如图1。

其中为油液的重力和惯性力组成的均布载荷的集度，为管路给油液的均布载荷的集度。

为油液的密度，为油液的横截面积，即

通入油液后，除了振动产生的弯曲应力外，由油液对管路的内压产生的应力也不容忽视。

由弹性力学[3]，

其中，、、分别为油液压力对管路产生的径向应力、周向应力、轴向应力。为油液压力。

可以看出，，表现为压应力；，表现为拉应力；与无关，沿方向分布的常量，表现为拉应力

1.3 液压冲击对管路压力的影响

由于液体的惯性、压缩性以及管路材料的弹性的相互作用，在有压管路系统中，流速发生急剧变化时，引起压强的高频剧烈波动，即液压冲击。液压冲击引起压力增值dp，这个增值可达到额定压力的50%，甚至更高，并在管路中高速传播，对管路造成破坏[4]。

Ey为管内介质的弹性模数，V0为介质流速，δ为导管壁厚，C0为无边界液体中的音速，E为管材的弹性模量，D为管路内径。

2 管路应力的仿真研究

2.1 液压冲击仿真计算

根据上面的分析，建立液压冲擊的数学模型运用Simulink进行仿真，当给定压力为1MPa，得到液压冲击的波形如图2[5]。

2.2 振动及液压脉冲影响下管路的仿真

管路的支承结构对管路固有频率产生影响，支承刚度的下降，将导致管路固有频率降低。仿真中假设支承结构具有足够的支承刚度。在外部激励下，管路将产生自由振动。管路自由振动的固有频率可由等效质量法、微分法等方法算出[6]。

为管路的弹性模量，为管路的截面惯性矩，为管路与流体的单位质量。工程上关心的是最低阶固有频率，即的固有频率[7]。仿真中取不同的压力脉动的周期，测量点为管路中点（即应力最大点），图3为一个液压冲击周期内振动管路的应力变化[8]。

一般管路的固有频率远离外部激励信号，主要为压力脉冲的频率，随着压力脉冲频率的增大，当频率接近管路的固有频率，将产生共振，在此状态下的管路将很快发生破坏[9]。

3 结束语

研究了液压管路受振动及液压冲击的影响，推导了各种影响下的应力公式，给出仿真结果。清晰揭示了管路应力与振动频率及液压冲击的关系，为飞机液压管路的振动试验及液压脉冲试验提供了理论依据[10]。不足之处是假设了支撑刚度，对流固耦合分析不足，没有进一步研究导管寿命与应力和频率的关系。

参考文献：

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[2]曹源，金先龙，张晓敏等.基于流固耦合的水力瞬变三维模拟及管壁动态应力分析[J].振动与冲击，2009（11）：70-72.

[3]麻剑锋，沈新荣，章本照等.旋转环形偏心园截面弯管内流动特性分析[J].浙江大学学报（工学版）.2005，39（11）：1829.

[4]钱汝鼎.工程流体力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，1989.

[5]王占林.飞机高压液压能源系统[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[6]曹源，金先龙，杜新光.水锤载荷作用下管道变形及动态应力[J].核动力工程，2010（02）：33-36.

[7]李军，陈明.基于虚拟仪器技术的飞机液压脉冲试验系统[J].测试技术，2007（03）：77-79.

[8]袁朝辉，马煜.基于PID神经网络的液压脉冲试验系统[J].液压与气动，2010（04）：86-88.

[9]张行.断裂与损伤力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[10]张淼，孟庆春，张行.无扩口管路连接件疲劳寿命预估的损伤力学-有限元法[M].航空学报，2009（03）：435-443.

基金项目：陕西省自然科学基金项目（2014JM2-5069）；陕西省教育厅科研计划项目资助（15JK1378）

作者简介：赵孟文（1968-），男，陕西渭南人，主要从事液压伺服系统的研究。