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      振動及液壓脈沖影響下的管路應(yīng)力分析

      2017-03-28 19:34:40趙孟文樊澤明
      山東工業(yè)技術(shù) 2017年6期
      關(guān)鍵詞:應(yīng)力分析仿真振動

      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)心的問題,通常是通過液壓脈沖試驗(yàn)及振動試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)與驗(yàn)證。文章通過理論分析及仿真,研究液壓管路在振動及液壓沖擊影響下的應(yīng)力變化。分析了無油液振動管路的應(yīng)力變化、油液壓力及液壓沖擊對管路應(yīng)力的影響,并進(jìn)行仿真分析。

      關(guān)鍵詞:振動;液壓沖擊;液壓管路;應(yīng)力分析;仿真

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

      0 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,以及液壓脈沖產(chǎn)生劇烈的高壓力波動,普遍存在于液壓系統(tǒng)中,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)注的問題。目前在新機(jī)型設(shè)計(jì)時(shí),是通過振動臺及液壓脈沖臺對液壓導(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]。本文通過理論分析及仿真,研究在振動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 振動管路的應(yīng)力分析

      管路在外因影響下產(chǎn)生振動,振動形式為垂直方向的正弦振動,管路的運(yùn)動軌跡為

      在t時(shí)刻,管路在垂直方向加速度為

      對于周期為的振動,

      當(dāng)管路內(nèi)沒有液體(系統(tǒng)壓力=0)時(shí),管路所受的應(yīng)力可通過如下公式計(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)對管路應(yīng)力的影響

      實(shí)際應(yīng)用時(shí),管路內(nèi)通入額定壓力的油液。當(dāng)管路振動時(shí),管內(nèi)液體也跟隨管路做相同的運(yùn)動。對于管內(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,除了振動產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力外,由油液對管路的內(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。

      可以看出,,表現(xiàn)為壓應(yīng)力;,表現(xiàn)為拉應(yīng)力;與無關(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,即液壓沖擊。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,δ為導(dǎo)管壁厚,C0為無邊界液體中的音速,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2[5]。

      2.2 振動及液壓脈沖影響下管路的仿真

      管路的支承結(jié)構(gòu)對管路固有頻率產(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。在外部激勵下,管路將產(chǎn)生自由振動。管路自由振動的固有頻率可由等效質(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的周期,測量點(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)離外部激勵信號,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

      研究了液壓管路受振動及液壓沖擊的影響,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)力與振動頻率及液壓沖擊的關(guān)系,為飛機(jī)液壓管路的振動試驗(yàn)及液壓脈沖試驗(yàn)提供了理論依據(jù)[10]。不足之處是假設(shè)了支撐剛度,對流固耦合分析不足,沒有進(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)振動研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展,2003,33(03):313

      [2]曹源,金先龍,張曉敏等.基于流固耦合的水力瞬變?nèi)S模擬及管壁動態(tài)應(yīng)力分析[J].振動與沖擊,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)流動特性分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版).2005,39(11):1829.

      [4]錢汝鼎.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態(tài)應(yīng)力[J].核動力工程,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,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.無擴(kuò)口管路連接件疲勞壽命預(yù)估的損傷力學(xué)-有限元法[M].航空學(xué)報(bào),2009(03):435-443.

      基金項(xiàng)目:陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014JM2-5069);陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目資助(15JK1378)

      作者簡介:趙孟文(1968-),男,陜西渭南人,主要從事液壓伺服系統(tǒng)的研究。

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