振動(dòng)及液壓脈沖影響下的管路應(yīng)力分析

1、    振動(dòng)及液壓脈沖影響下的管路應(yīng)力分析    趙孟文樊澤明摘 要：液壓管路的故障失效及結(jié)構(gòu)損傷，是航空領(lǐng)域非常關(guān)心的問(wèn)題，通常是通過(guò)液壓脈沖試驗(yàn)及振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)與驗(yàn)證。文章通過(guò)理論分析及仿真，研究液壓管路在振動(dòng)及液壓沖擊影響下的應(yīng)力變化。分析了無(wú)油液振動(dòng)管路的應(yīng)力變化、油液壓力及液壓沖擊對(duì)管路應(yīng)力的影響，并進(jìn)行仿真分析。關(guān)鍵詞：振動(dòng)；液壓沖擊；液壓管路；應(yīng)力分析；仿真doi：10.16640/ki.37-1222/t.2017.06.2460 引言飛機(jī)包含了很多的液壓系統(tǒng)，充油管路的耦合振動(dòng)，以及液壓脈沖產(chǎn)生劇烈的高壓力波動(dòng)，普遍存在于液壓系統(tǒng)中，

2、是造成飛機(jī)液壓管路的故障失效及結(jié)構(gòu)損傷的主要原因，直接影響整個(gè)飛機(jī)的安全，是航空領(lǐng)域非常關(guān)注的問(wèn)題。目前在新機(jī)型設(shè)計(jì)時(shí)，是通過(guò)振動(dòng)臺(tái)及液壓脈沖臺(tái)對(duì)液壓導(dǎo)管做試驗(yàn)以檢驗(yàn)液壓導(dǎo)管的疲勞強(qiáng)度及壽命1。本文通過(guò)理論分析及仿真，研究在振動(dòng)及液壓沖擊影響下的液壓導(dǎo)管的應(yīng)力變化，有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值2。1 管路應(yīng)力計(jì)算1.1 振動(dòng)管路的應(yīng)力分析管路在外因影響下產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)形式為垂直方向的正弦振動(dòng)，管路的運(yùn)動(dòng)軌跡為在t時(shí)刻，管路在垂直方向加速度為對(duì)于周期為的振動(dòng)，當(dāng)管路內(nèi)沒(méi)有液體（系統(tǒng)壓力=0）時(shí)，管路所受的應(yīng)力可通過(guò)如下公式計(jì)算得到。當(dāng)加速度達(dá)到最大時(shí)，最大。1.2 油液壓強(qiáng)對(duì)管路應(yīng)力的影響實(shí)際應(yīng)用時(shí)，管路內(nèi)

3、通入額定壓力的油液。當(dāng)管路振動(dòng)時(shí)，管內(nèi)液體也跟隨管路做相同的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于管內(nèi)液體，其受力圖如圖1。其中為油液的重力和慣性力組成的均布載荷的集度，為管路給油液的均布載荷的集度。為油液的密度，為油液的橫截面積，即通入油液后，除了振動(dòng)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力外，由油液對(duì)管路的內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力也不容忽視。由彈性力學(xué)3，其中，、分別為油液壓力對(duì)管路產(chǎn)生的徑向應(yīng)力、周向應(yīng)力、軸向應(yīng)力。為油液壓力?？梢钥闯觯憩F(xiàn)為壓應(yīng)力；，表現(xiàn)為拉應(yīng)力；與無(wú)關(guān)，沿方向分布的常量，表現(xiàn)為拉應(yīng)力1.3 液壓沖擊對(duì)管路壓力的影響由于液體的慣性、壓縮性以及管路材料的彈性的相互作用，在有壓管路系統(tǒng)中，流速發(fā)生急劇變化時(shí)，引起壓強(qiáng)的高頻劇烈波動(dòng)，即

4、液壓沖擊。液壓沖擊引起壓力增值dp，這個(gè)增值可達(dá)到額定壓力的50%，甚至更高，并在管路中高速傳播，對(duì)管路造成破壞4。ey為管內(nèi)介質(zhì)的彈性模數(shù)，v0為介質(zhì)流速，為導(dǎo)管壁厚，c0為無(wú)邊界液體中的音速，e為管材的彈性模量，d為管路內(nèi)徑。2 管路應(yīng)力的仿真研究2.1 液壓沖擊仿真計(jì)算根據(jù)上面的分析，建立液壓沖擊的數(shù)學(xué)模型運(yùn)用simulink進(jìn)行仿真，當(dāng)給定壓力為1mpa，得到液壓沖擊的波形如圖25。2.2 振動(dòng)及液壓脈沖影響下管路的仿真管路的支承結(jié)構(gòu)對(duì)管路固有頻率產(chǎn)生影響，支承剛度的下降，將導(dǎo)致管路固有頻率降低。仿真中假設(shè)支承結(jié)構(gòu)具有足夠的支承剛度。在外部激勵(lì)下，管路將產(chǎn)生自由振動(dòng)。管路自由振動(dòng)的固有

5、頻率可由等效質(zhì)量法、微分法等方法算出6。為管路的彈性模量，為管路的截面慣性矩，為管路與流體的單位質(zhì)量。工程上關(guān)心的是最低階固有頻率，即的固有頻率7。仿真中取不同的壓力脈動(dòng)的周期，測(cè)量點(diǎn)為管路中點(diǎn)（即應(yīng)力最大點(diǎn)），圖3為一個(gè)液壓沖擊周期內(nèi)振動(dòng)管路的應(yīng)力變化8。一般管路的固有頻率遠(yuǎn)離外部激勵(lì)信號(hào)，主要為壓力脈沖的頻率，隨著壓力脈沖頻率的增大，當(dāng)頻率接近管路的固有頻率，將產(chǎn)生共振，在此狀態(tài)下的管路將很快發(fā)生破壞9。3 結(jié)束語(yǔ)研究了液壓管路受振動(dòng)及液壓沖擊的影響，推導(dǎo)了各種影響下的應(yīng)力公式，給出仿真結(jié)果。清晰揭示了管路應(yīng)力與振動(dòng)頻率及液壓沖擊的關(guān)系，為飛機(jī)液壓管路的振動(dòng)試驗(yàn)及液壓脈沖試驗(yàn)提供了理論依據(jù)

6、10。不足之處是假設(shè)了支撐剛度，對(duì)流固耦合分析不足，沒(méi)有進(jìn)一步研究導(dǎo)管壽命與應(yīng)力和頻率的關(guān)系。參考文獻(xiàn)：1任建亭，姜節(jié)勝.輸流管道研究系統(tǒng)振動(dòng)研究進(jìn)展j.力學(xué)進(jìn)展，2003，33（03）：3132曹源，金先龍，張曉敏等.基于流固耦合的水力瞬變?nèi)S模擬及管壁動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析j.振動(dòng)與沖擊，2009（11）：70-72.3麻劍鋒，沈新榮，章本照等.旋轉(zhuǎn)環(huán)形偏心園截面彎管內(nèi)流動(dòng)特性分析j.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）.2005，39（11）：1829.4錢(qián)汝鼎.工程流體力學(xué)m.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1989.5王占林.飛機(jī)高壓液壓能源系統(tǒng)m.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.6曹源，金先龍，杜新光.水錘載荷作用下管道變形及動(dòng)態(tài)應(yīng)力j.核動(dòng)力工程，2010（02）：33-36.7李軍，陳明.基于虛擬儀器技術(shù)的飛機(jī)液壓脈沖試驗(yàn)系統(tǒng)j.測(cè)試技術(shù)，2007（03）：77-79.8袁朝輝，馬煜.基于pid神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的液壓脈沖試驗(yàn)系統(tǒng)j.液壓與氣動(dòng)，2010（04）：86-88.9張行.斷裂與損傷力學(xué)m.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.10張淼，孟慶春，張行.無(wú)擴(kuò)口管路連接件疲勞壽