弯管转角对液压管道振动特性影响分析

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Elbow angle efect on hydraulic pipeline vibration characteristicsFU Yong-ling ，riNG Hui-qiang(1.School of Mechanical Engineering and Automation，BeOing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China；2.School of Automation Science and Electrical Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)Abstract： Aircraft hydraulic pipeline vibration affects aircraft conduit system service life and flight safety.Thevibration is mainly composed of pump vibration，fuselage vibration，and pipeline and fluid coupling vibration.The firsttwo can be reduced eficiently through soft connection，however，the latter needs an optimization design to avoid couplingvibration.The bending zone is a sensitive area in the coupling vibration. Here，a certain type of aircraft pipelinesubjected to a high periodic presure was analyzed with the finite element method and CFD，the elbow angle efect on thepipeline vibration characteristics under an unsteady flow was studied.The results dedicated that the amplitude and thepeak-peak vibration values drop 50% and 68.29% ，respectively when the elbow angle changes from 90。to 60。，SO theelbow angle effect should be given more attention in future designs。

Key words：hydraulic pipeline；unsteady flow；coupling vibration；elbow angle；finite element method航空飞行器液压管道系统问题的研究属于输流管道系统问题的研究范畴，但不乏其独特性。具体地说，由于对重量的近似苛刻的要求，航空飞行器的液压管道有通径孝管壁薄等特点，同时管道支座有结构简单、重量轻等特点，这些特点导致液压管道系统整体的刚度较小，固有频率相对偏低，这使得管道系统的固有频率容易与系统压力脉动频率接近，从而诱发振动甚至是共振，产生较为强烈的液固耦合现象 J，尤其是随着目前液压系统压力的不断提高，使这-问题更加突出，这使液压管道 系统的设计工作将面 临新 的挑战 。

液固耦合是输液管道系统研究中的-个重要方向，也是液压管道系统振动的形成因素之-。关于液收稿 日期 ：2012-07-O2 修改稿收到日期：2012-08-O2第-作者 付永领 男，博士，教授，1966年生固耦合的研究起源于上世纪 5O年代 ，文献[9]为了解释石油输送管道振动问题提出了这-概念，文中建立了输流管道横向振动的运动微分方程，随后这-问题的研究逐渐被国内外学者重视。章思骥等 。计算了某飞机液压管道系统动态特性及管道结构的固有频率和机械响应特性，并将流体压力脉动当作管道激振力施加于管道进而计算了管道振动响应，这也是我国较早形式的液固单 向耦合研究实例。随着研究 的不断开展，学者们发现气穴对管道系统振动影响甚大，使管道与流体间的耦合作用更为复杂，为了揭示液固耦合及气穴对管道振动共同作用机理，Tijsseling等 对二维单弯头管道系统进行了带有气穴的液固耦合数值建模，该模型是对传统水锤理论的扩展，文章对该模型进行了试验验证，理论计算结果与试验结果吻合较好。至此，对管道系统在时域内的研究较为广泛，而在频域内的研究方法相对较少。Zhang等 在频域范围内对管168 振 动 与 冲 击 2013年第 32卷，kx 叫他移均协 B lY0向位静均饿 B点z，奶能移均值/ -/ l--/ // // /. / / ---。

管系/(。)图7 不同管道在 B处的位移均值Fig.7 Displacement mean valuesfor diferent pipelines at position B-cx灯向似穆均侦 -I-C，f.y方向位移均值 - c点z由向能移均值/ 。

/ ， / / ，/ / / / / /r/ / / 三 / 60 70 80 90管系 。)图8 不同管道在 c处的位移均值Fig.8 Displacement mean valuesfor different pipelines at position Ck / ，-r/ //管系 )图9 不同管道在位置 B处的位移峰峰值Fig.9 Peak-peak displacementsfor diferent pipelines at position B C点X盯向峰峰值 "l-CAY矗向峰峰值 -rC点Z，I l蝇峥戗/ - ～ -：。

/ / - / ：：- - r 60 70 80 90管系 )图 10 不同管道在位置 C处的位移峰峰值Fig.10 Peak-peak displacements fordifferent pipelines at position C种都是最大的，且分别为90。弯管的1.48和 1.22倍；② 在位置 c，其在z方向上的位移均值和峰峰值分别为90。弯管的 1.02和 1.14倍。

由表2的计算结果可知，80。弯管的第五阶固有频率为482.06，其较另外三种管道，其与速度外载激励频率 500 Hz最为接近，且结合此频率下管道振型图2可知共振是导致上述结果的主要原因。

(2)观察 6O。、70。与90。弯管的各项数据，相比而言，90。弯管的振动动幅值和峰峰值仍然很高，具体地：① 在位置 B，其振动幅值在 、，和 z三个方向上是60。弯管的2、2.45和21倍，是70。弯管的2、2.45和1.08倍；峰峰值是60。弯管的5、3.19及6.56倍 ，是70。

弯管的5、3.19和1.57倍；② 在位置c，其振动幅值在、y和 z三个方向上是 60。弯管的5.73、22.5和 9倍，是70。弯管的 2、2.45和 1.08倍；峰峰值是 70。弯管的5、3.19及 6.56倍。

上述结果表明，虽然90。弯管结构固有频率成功避开外载激励频率，未造成共振发生，但由于90。弯管的几何特性决定，高压且为非定常的管内流体在该管道仍施加了较大的激振力，使其振动较为明显。

3 结 论对液压管道系统有限元建模，进行液固耦合分析并得到液固耦合导致管道在周期性非定常流作用下位移时间历程响应，合理地解释了原机90。管道系统在非常流下振动剧烈的原因。

在相同边界条件及外载流下，比较分析了弯管转角对管道系统动态性能的影响，具体地，弯管转角从9O〉到60。，整体上其相应振动位移幅值降低了50%，振动峰峰值降低了68.29%，但并非成线性递减关系，在共振点处会出现拐点。从分析结果来看，虽然随着弯管转角的减小，主趋势有利于减弱管道振动，但仍需考虑管道系统与外载激励的匹配以避免耦合共振。