航空液压管路系统动力学特性研究

航空液压管路系统动力学特性研究

王鹏,金磊,雷珊

中航西安飞机工业集团股份有限公司  陕西省西安市  710089

摘要：由于飞机轻量化和液压系统工作要求不断提高，振动造成的管路故障对飞行的安全性和可靠性造成了极大的影响。本文主要对航空液压管路系统动力学特性进行研究。

关键词：航空；液压管路；动力学

引言

弄清楚飞机液压系统管道流固耦合振动的机制，对于设计安全可靠的新型液压系统和制定现有飞机液压系统的振动抑制对策都是非常重要的。

1航空液压系统概述

飞机液压系统主要由液压泵、滤油器及其之间的管路组成。系统在工作过程中不可避免地会产生不规则振动，振动的根源主要在于液压泵在工作时的旋转运动和往复吸油过程，引起液压管路和液压油发生谐振。液压泵脉动式流量输出会使管路和管内流体产生强迫振动，而当脉动频率与流体的谐振频率比较接近时，振动会进一步增强。当脉动频率与管路系统的固有频率接近时，还会产生流固耦合振动，这通常是导致结构损伤和破的主要原因。因此，研究航空液压管路的流固耦合振动特性，以及飞机液压系统的可靠性设计，对于飞机发动机系统的振动抑制都是非常重要的。

2航空液压管路系统动力学特性研究

2.1管路的能量法描述

由于飞机液压管路的管径远小于其长度，所以可以利用能量法建立管道横向振动的动力学方程。假设管体产生变形时垂直于中心线剖面仍保持为平面，管路本体结构具有完全弹性、连续性、各向同性和均匀性。①流体质量的影响可以考虑为附加质量。②均匀定常流体压强Ｐ对管路横向弯曲振动有两方面的影响，其一是横向压差影响；其二是轴向张力影响。③流体速度对管路横向弯曲振动也有两方面的影响，一方面是由于管路的弯曲导致的流体离心力项；另一方面是在横向振动时会产生科里奥氏力项。）通过一个直管的算例，将管道固有频率的理论解与仿真结果进行对比，结果表明管道的固有频率受到管道内的流体流速和流体压力的影响，当管道内流体流速从０增加到5m/s时，管道固有频率从23.44Hz减少到23.40Hz，减少1.7％；当管道内流体压力增加时，管道的固有频率从23.6Hz减少到22.6Hz，减少4.2％．

2.2基于分布式仿真的液压能源系统效能评估方法

液压能源系统的效能特性是衡量其系统品质的重要依据，是设计飞机液压能源系统整体架构的核心参考。飞机液压能源系统的综合效能表述为在规定飞行环境、航路、装置维护的条件下，其系统运行情况及完成规定飞行任务目标的程度。同时，液压能源系统作为能量源，其效能特性与负载工作情况有直接关系，因此在对能源系统进行效能分析时，负载在环必须要考虑。而飞机液压系统体积庞大、功能复杂，直接对它分析存在较大的困难。在进行飞机液压能源系统效能分析时需要考虑多个负载分系统之间的交联情况，对其全过程仿真将涉及各个分系统的运动情况，各个系统在仿真计算时都会涉及一系列状态方程、微分方程组等数学模型的解算，不可避免会出现多次数、长时间的迭代求解。例如:飞机液压能源系统涉及3套液压系统、起落架、飞控系统、发动机等各个子系统，由于液压系统的仿真模型规模过大，导致使用单机仿真时间过长。传统的仿真优化是采用优化算法对仿真模型的参数进行全局最优或局部最优的调整，然后把通过优化得到的较好参数作为仿真模型的输入，最典型的优化方式就是对控制系统参数优化。但是使用优化后的参数会改变模型的原始参数使得仿真结果可能出现偏差，并且当求解的问题较为复杂时，仿真优化的多次求解迭代需要耗用大量的时间，求解效率更为低下。分布式仿真可以在不改变仿真模型参数以及仿真精度的前提下减少仿真时间、加快仿真效率，其核心理念是将一个庞大、复杂度很高的模型进行分块化，将一个模型的计算量由多个计算机共同协作承担，完成对复杂模型的仿真加速。分布式仿真如今已经成为提高数值计算效率并且有效减少仿真运行时间的主流技术之一，并且当仿真的模型复杂度过高或者需要在多个存在耦合关系的模型之间进行交互仿真时，可以更高效地解决这些问题。

2.3基于模型的液压系统正向设计

为了达到系统功能逻辑模型和性能仿真一致性验证的目的，需要对Rhapsody模型与AMESim模型进行联合仿真，但现有的联合仿真方法或通过基于MATLAB中间件进行联合仿真，或需要更为复杂的二次编程来实现，操作复杂，使用代价太大，开发成本高，难以维护。且基于SysML语言开发的模型与多学科系统建模语言开发的模型属于两种完全不同构型下的模型，因此没有类似CAD软件中标准导入/导出通用模型，因此需要借助其他手段实现模型的转换。

2.4航空第二动力系统技术

机姿态控制与设备运行依赖于来自主发及其附件的二次能源——气压能、液压能和电能，在传统二次能源结构中三者分别主要用于环控系统（ECS）、飞控作动系统和电子设备。独立于主发外的辅助动力装置（APU）也可提供一定的二次能源，它是飞机的第二动力来源：APU诞生于上世纪60年代初，当时它被用于在地面为主发起动和ECS供气，减少了飞机的地面保障需求；将附件传动系统（ADS）和辅助动力系统（APS）二次能源相关主发附件从主发传动机匣独立出来并与APU一起集成于附件传动机匣，独立的附件传动机匣有利于缩小主发迎风截面，此外直接输出机械能的APU可在空中提供应急二次能源或辅助主发起动。ADS与APS并未实际装机，不过其中独立附件传动机匣结构催生了机体挂载附件传动机匣（AMAD），除缩小主发迎风截面外AMAD还减少了地面维护工作量。先进SPS结构复杂且集成度高，其研制工作充分体现了多学科交叉融合的特点。除必须在燃机轻质耐高温材料技术、高功率密度机电能量转换技术、高性能轴承技术及高效热管理技术等各项关键技术及所需高性能材料方面持续攻关并取得突破外，SPS的先进设计及试验技术也不容忽视：基于模型的设计方法可以有效减少整体方案设计初期的技术风险并为SPS整体优化提供便利，利用硬件在环测试方法对SPS各部件进行独立试验可以大幅降低试验成本并加快试验进度，这些设计与试验方法可以有效缩短SPS的研制周期。

2.5增材制造航空液压阀块流道仿真

高压油通过液压阀块流道产生的压力损失主要包括沿程阻力损失和局部阻力损失，沿程阻力损失因流道内油液的黏性摩擦引起，局部阻力损失因流道流向及断面突然变化引起。航空液压阀块管网中，经常存在短管、直角拐弯、分支管、工艺孔容腔等复杂繁多的孔道形式，且孔道一般较短，其局部阻力损失占能量损失的绝大部分。增材制造能够实现液压阀块流道流向、变界面等的灵活布局，是航空液压阀块结构优化、节能降耗的有效手段。建立了某航空液压阀块增材制造三维模型，利用有限元分析了该阀块的应力强度。通过流场仿真并与传统液压阀块对比，系统研究了T形、Z形流道的流场特性和压力损失，并基于选区激光熔化技术(SLM)完成增材制造液压阀块的加工成型。试验表明:增材制造液压阀块的应力强度满足使用要求，相比传统机加工阀块，增材制造阀块在轻量化、节能降耗方面优势明显。

结语

总之，通过研究可以很好地分析液压能源系统的效能特性和评判长时间运行的液压能源系统的工作状态，从而有目的性地针对相应部件进行改造和维修保养。

参考文献

[1]杨莹，陈志英．航空发动机管路流固耦合固有频率计算与分析．燃 气 涡 轮 试 验 与 研 究， 2010（ 01 ）： 42～46.

[2]范晓宇 ． 航空发动机液压管路系统耦合振动有限元分析［硕士学位论文］ ． 沈阳：东北大学， 2014.