飞机液压管路振动建模与仿真分析

飞机液压管路振动建模与仿真分析

葛嘉瑞 张茂森 王杨峥棚 谷松林

（沈阳航空航天大学民用航空学院 辽宁沈阳 110136）

摘要：为了解决工程中遇到的飞机液压管路系统振动问题，本文使用AutoCAD对液压管路系统进行简化建模，并将模型导入有限元分析软件ANSYS Workbench对空管状态下的飞机液压管路系统进行了模态分析，得到了其固有频率和振型，并通过振型结果分析了管路设计的合理性，指出了在有限元仿真中简化建模的重要性，为以后分析此类管路振动问题提供了参考。

关键词：飞机液压管路系统；振动；模态分析

液压管路系统是典型的动力支持系统，广泛应用于航空、航天、船舶、交通运输等领域。它的工作品质和可靠性将直接影响整个结构系统的正常工作[1]。随着航天工业的发展，飞机的液压系统正变得高压化、重量轻、变压力和多余度等。并且随着飞机液压系统压力的提升，高压管路会引起剧烈的液压冲击，由此引发的振动会造成管路的破坏甚至断裂等严重后果[2]。因此需要深入细致地研究飞机液压管路系统的振动问题。目前对管路振动分析常用的方法中，有限元法应用较为广泛，是解决工程实际问题的重要方法之一[3]。因此，本文使用AutoCAD软件对液压管路系统进行简化建模，并使用有限元分析软件ANSYS workbench对空管状态的液压管路进行模态分析，对分析飞机液压管路振动问题有一定的指导意义。

1.对飞机液压管路系统的简化建模

本文所用飞机液压管路系统系统由管路，卡箍，管接头等结构组成，由于本文分析对象是硬管，所以忽略软管及其连接件。

液压管路的实物模型往往都很复杂，包括如小孔、凸台等一些微小结构。但是这些结构在很多情况下对计算结果影响不大，如果考虑这些微小结构，不仅将会增加网格划分的数量，还会影响网格划分的质量，降低计算的效率和准确性，所以进行合理的模型简化则显得很有必要。

对管路进行应力分析时，因加工、装配等问题造成管接头上某些结构的变化并非关注的重点，可将这类结构忽略不计。如图1所示为部分管接头简化后模

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型。

图1 三种管接头简化模型

对模型进行合理有效的简化，才能保证有限元分析的准确性。除了以上几点简化原则，还包括一些其他的简化原则如重建细节结构、消除模型间隙等。本文按照以上简化原则并参考一些相关文献对飞机液压管路系统实物模型进行简化后，利用AutoCAD建立起整个结构的三维立体模型。

2.空管状态下液压管路系统模态仿真分析

在AutoCAD软件中建立好简化后结构的三维模型后，将文件另存为.stp格式，打开ANSYS Workbench软件将模型导入ANSYS，导入后的模型如图2所示。

图2导入ANSYS后的飞机液压管路模型

在有限元分析过程中，需要对液压管路系统的材料属性进行设置。其中管路和管接头材料为不锈钢，卡箍为硬铝，固体结构材料属性如下表1所示。管内流体为10号航空油，流体密度为875 kg/m3，流体动力粘度为1.122×10－2Pa·s。

表1 固体结构材料属性

正确合理的网格划分是展开有限元分析的关键步骤，根据网格划分的基本原则和方法，采用扫掠法对流体进行网格划分。之后对固体结构进行分块划分。对卡箍使用自动划分，管路和管接头采用扫掠进行网格划分。此外，通过对计算结果准确度和计算效率的综合考虑，将单元尺寸设置为2mm。

接下来还需要设置接触类型。各个部件的相对几何位置是通过之间的装配关系确定的。将简化后的结构模型导入到有限元软件后，需要对结构进行前处理，使得各构件间的力学性能的传递与实际结构保持一致。在模型中，管路通过管夹固定，不允许其发生滑移，所以根据不同接触类型的特点，将管路和管夹接触的区域定义为绑定接触。管路与管接头之间的连接方式为Tie约束，Tie约束表示两个面被粘在一起。

设置管路与卡箍之间的约束，同时，将与机体连接的支架位置边界条件设为“完全固支”。

利用ANSYS Workbench仿真软件对空管状态下的液压管路系统进行模态仿真分析，计算求解并查看各阶振型，前四阶振型结果如图3所示。

(1)第一阶振型                         (2)第二阶振型

(3)第三阶振型                         (4)第四阶振型

图3 管路前四阶振型

通过分析得出管路前四阶次的振动情况，如下表2所示，管路前8阶固有频率如下表3所示。

表2 管路前四阶振动情况

表3 管路前

8阶固有频率

如图可知，在系统的前四阶模态中，振动最强烈的位置均出现在左侧管路，位于支撑元件之间的管体部分，说明与45°管接头相连的左侧管路更容易出现支撑元件松动、管体划移等故障。从管路设计的角度，左侧管路需要合理的添加支撑元件来降低管体的振动，从而确保液压管路在使用过程中的稳定。

3.结论

通过使用AutoCAD对液压系统进行简化建模，利用ANSYS Workbench对空管飞机液压管路系统进行模态仿真，并对得到的振型结果进行分析，得出了以下结论。

（1）对实物进行简化建模时，应保证结构特征信息的完整，在删除某些细节特征的情况下保证仿真分析的准确度。

（2）所建模型合理，可用其开展进一步的结构振动特性仿真分析工作，为解决实际中飞机液压管路振动而产生的故障提供一定的参考。

（3）管路设计仍需改进，存在些许不合理之处，在实际应用中容易产生故障。

参考文献

[1]沈旻昊，飞机液压管路的简化建模及振动特性分析[D]，西安电子科技大学，2014.

[2]庞立建，飞机液压管路结构振动的影响因素研究[D]，西安电子科技大学，2021.

[3]贾建援．工程有限单元法［M］．西安:西安电子科技大学出版社，2000

基金项目：沈阳航空航天大学大学生创新创业训练项目资助（X202310143013）