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            在职硕士论文:飞机液压管路系统振动仿真分析

            来源: www.zsalud.com 作者:lgg 发布时间:2018-06-28 论文字数:38475字
            论文编号: sb2018062717454421794 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
            本文是一篇在职硕士论文,硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文,具有一定的理论深度和更高的学术水平,更加强调作者思想观点的独创性,以及研究成果应具备更强的实用价值和更高的科
            本文是一篇在职硕士论文,硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文,具有一定的理论深度和更高的学术水平,更加强调作者思想观点的独创性,以及研究成果应具备更强的实用价值和更高的科学价值。共分为12大类。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇在职硕士论文,供大家参考。
             
            第 1 章 绪论
             
            1.1 论文研究背景及研究意义
            作为重要的动力支持系统,液压系统在机械工程、船舶工程、航空工程等方面都起着重要的作用[1]。液压系统在航空航天领域的应用主要体现在能够为飞行员提供足够的力对飞机进行控制,比如对减速板收放的控制,副翼、缝翼等翼面的控制,战斗装备的控制,以及前轮转弯的控制等。液压系统通常由控制部分、供压部分、执行部分等共同组成,它遍布在飞机上的不同地方,常见于飞机的吊架、机翼后梁、电子舱等不同的部位[2]。它的可靠性和稳定性关系到飞机是否可以安全飞行[3]。在飞机开动或者关泵时,随着阀门等的关启,管路里面的航空油流态会出现突发改变,将会导致管路里面的航空油压力在刹间突然降低或者升高,形成一个低压或高压, 从而使管路产生相应的振动[4]。最近这些年来,因管路振动而导致的事故经常出现[5]。资料表明,在美国空军的战机失事事件中,由管路系统的破坏而引发的就高达百分之五十至六十[6],所以国内外很多专家和研究人员都对其非常重视。通过科研人员的研究,发现引起管路振动的原因通常体现在以下两个方面。其一,管路所附属的结构产生振动,导致管路产生相应的振动。一旦管路与之发生共振,对管路造成的破坏将会异常严重,给飞机的正常航行带来巨大的威胁。据数据显示,由共振引起的振动破坏是管路发生破坏的主要成因,因此在对飞机液压管道进行设计时,要尽量避开共振点。利用现有的有限元仿真软件能够很容易的计算出液压管路系统的固有频率,然后通过对结构进行合理的优化,就可以达到改变管路固有频率的目的,从而有效的避免共振现象的发生。其二,油泵引发的压力脉动导致管路产生相应的振动。压力脉动带来的破坏是巨大的,它无论是对管路还是其它的结构都会带来严重的危害。当振动频率达到管路的固有频率时,常常会发生共振,导致液压管路及与之相连的部件的疲劳断裂。在起初的工作阶段,它或许不会发生明显的破坏,但随着工作次数的累积,这种破坏将会逐渐显现出来,对液压管路系统的正常工作及飞行员的生命都带来巨大的威胁。近些年来,由于管路内的压力在不断提升,所以对管路的振动研究也成为飞机设计中的重点和难点。上述两种原因引起的管路振动都将导致液压管路系统产生不同程度的损坏,所以,对飞机液压管路系统展开振动仿真分析就显得尤为重要,能够为工程人员在解决液压管路振动问题时提供一定的指导意义。
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            1.2 相关领域的研究及发展现状
            近年来,无论是国内的还是国外的研究人员,针对液压管路的振动问题,都在进行着不断的深入探究。研究的领域包括固体力学、流体力学、计算力学、流固耦合动力学等方面[7]。对液压管路的振动研究是随着科技的进步和工程的需要逐渐深入的。与对大部分问题的研究方法类似,对管路振动的研究也是从简单到复杂,一步一步地发展起来的。刚开始,先是从简单支撑条件到复杂支撑条件,然后再从一维管路到三维空间管路[8]。欧美国家的一些研究人员在十九世纪就展开了对液压管路的探究。起始阶段,经典水锤理论[9]是较为被人们所认可的,并得到了广泛应用。经典水锤理论的好处是数学公式非常简单,计算起来也非常容易,但缺点是经典水锤理论仅包含了管道内壁对液体压力波的作用,忽略了流体运动对管道内壁产生的作用,求解所得的结果会与测试数据产生很大的误差,因此人们展开了对管道流固耦合的进一步研究。随着研究人员对液压管路一步步深入的研究,总结出了在不同工况下,不同研究对象的分析方法。早在上个世纪五十年代,Ashley[10]通过梁模型分析了管道的流固耦合现象,得到了管道横向振动微分方程。Doddos[11]又采用理论计算结合试验的方法对管道的流固耦合振动问题展开了探究。Wiggert[12]、Walker[13]和 Zhang[14]等通过对经典水锤模型展开进一步的研究,最终推导出了 14-方程模型。上世纪七十年代, Maclaren[15]、Benson[16]以及野田桂一郎[17]、山田荣[18]、酒井敏之[19]等人进一步探究了流固耦合问题,在如何减轻管道振动等方面的研究取得了很大的成果。随着研究的深入,人们发现只有在某些情况下,液压管道才能利用梁模型来进行研究,比如不能用来研究壁厚较小的管道振动问题。随后,人们发现用圆柱壳模型来研究壁厚较小的管道振动问题会更加准确。Fuller[20]利用圆柱壳模型推导出了输流管道的振动微分方程,在 Fuller 的研究基础上,Pavic[21]又展开了进一步的研究工作,使计算误差又缩小了很多。然而,圆柱壳模型的缺点是,求解相对来说比较困难。最近的几十年,国外对于一些不太复杂的管路的分析取得了较大的进步,求解方法也得到了进一步的发展,于是大量的研究人员转向对复杂管路的分析。上世纪末,Vardy[22]等人对分叉管路的瞬变振动进行了探究,精准地监测了弱约束管道的波动。Tentarelli[23]对在脉动压力作用下的空间管道的流固耦合问题进行了探究。之后,Tubaldi[24]又对脉动压力作用下具有弹性边界条件的圆柱壳进行了研究,该研究首次在文献中提供了完全耦合的流固耦合模型,并结合脉动压力和脉动流对圆柱壳的非线性振动进行了深入的探究。
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            第 2 章 液压管路系统振动的有限元分析方法
             
            利用仿真分析软件 ANSYS Workbench 研究液压管路系统振动的有限元分析方法一般有以下两种:流固耦合法和等效质量法。流固耦合法:流固耦合力学的发展源于固体力学与流体力学,它主要是用来研究固体和流体两者之间的相互影响。在流体作用下,固体会发生形状上的改变,固体形状上的改变又会转而对流体的运动产生影响。正是因为流固耦合具有这一重要特征,所以对于流固耦合的求解问题,需要同时考虑固体场和流体场的运动特征[49]。等效质量法:等效质量法是将管路中流体的质量以附加质量的形式等效到管壁上,以此来描述流体对管路的影响。由于等效质量法忽略了流体本身对管路振动特性的影响,没有考虑实际管路中流体和管路两者间的相互影响,所以该方法计算结果的准确性没有流固耦合法高,但建模和计算效率较高。
             
            2.1 流固耦合法
            在利用有限元软件求解流固耦合问题时,直接耦合法和分离式解法是两种比较常见的方法,采用直接耦合法需要同时求解离散方程组,包括流体和固体的控制方程[50]。然而在实际工程应用中,采用直接耦合法进行求解的过程中会出现因同步求解引起的收敛难度大,并且计算机性能要足够好才行,所以对于复杂的模型来说,此法并不常用。分离式解法不直接对流体和固体的方程组求解,而是依照一定的次序对它们逐个地进行求解,二者之间的数据传递通过流固耦合面来实现。由于分离式解法能够充分利用已有的流体和固体求解程序,对计算机的配置要求也不高,所以大多数 CFD 软件在求解流固耦合问题时都采用分离式解法。ANSYS 多物理场求解器就是利用分离式解法来对流固耦合问题进行求解的一种自动求解器。ANSYS 多物理场求解器可以让使用者使用自动序列耦合的方法将多个单物理场模型耦合到统一的仿真计算中,最后使多物理场问题得到解决。和其它计算方法相较而言,该求解器在处理此类问题时,一方面有较高的准确度以及可靠性,另一方面它便于操作。在求解时,它自动将计算中的多个耦合场分别进行单独的计算,并且可以根据实际情况来手动设定整个耦合场的求解次序。因此,该求解器在求解流固耦合问题上有着广泛的应用[51]。如果细分的话,它又可以分为 MFS 与 MFX。MFS 在对问题进行分析时,它通常被用来求解一些不太复杂的模型。在利用 MFS 进行计算时,任何一个数学方程式均是单独进行的,只有所有的计算在耦合面上均收敛,计算才结束。MFX 与MFS 求解器相较而言,它的一大优点是能够在不同的电脑之间同时并行运算,所以运算效率较高。正是基于这个原因,MFX 在求解耦合场问题时应用较为广泛。
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            2.2 等效质量法
            等效质量法是将管路中流体的质量以附加质量的形式等效到管路内壁上,以此来代替流体对管路的影响,而不考虑流体本身对管路振动特性的影响,即忽略它们之间的耦合影响[52]。等效质量法与流固耦合法不同的是只需要创建管路的有限元模型,而不需要建立流体有限元模型。利用等效质量法对管路系统展开模态分析的一般流程为:(1)首先建立液压管路系统的有限元模型,然后在 ANSYS 中对管路材料属性进行设置,其中管路密度应该为将流体的质量以附加质量的形式等效到管壁上计算得到的等效密度。(2)对管路材料属性设置完成后,进行合理的网格划分,依据管路的实际情况施加约束和载荷。(3)最后进行计算求解并查看仿真分析的结果。
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            第 3 章 飞机液压管路系统有限元模型的建立及模态分析.........17
            3.1 飞机液压管路系统有限元模型的建立 ....... 17
            3.2 基于流固耦合法的飞机液压管路系统模态分析 .......... 22
            3.3 基于等效质量法的管路模态分析 ...... 31
            3.4 有限元计算结果与试验结果对比分析 ....... 33
            3.5 软管系统的模态分析 ....... 34
            3.6 本章小结 ........ 36
            第 4 章 典型压力状态下的压力-频率分析 ...........38
            4.1 基于流固耦合法的压力-频率分析 ..... 38
            4.1.1 有限元模型建立及网格划分.... 38
            4.1.2 有限元计算结果..... 39
            4.2 基于等效质量法的压力-频率分析 ..... 43
            4.3 有限元计算结果与试验结果对比分析 ....... 45
            4.4 本章小结 ........ 46
            第 5 章 液压管路系统振动响应分析......47
            5.1 谐响应分析基本理论 ....... 47
            5.2 有限元仿真计算 ...... 47
            5.3 计算结果与试验结果对比分析.......... 52
            5.4 本章小结 ........ 54
             
            第 5 章 液压管路系统振动响应分析
             
            本章将针对飞机液压管路系统进行谐响应分析。通过使用有限元软件 ANSYS 来仿真计算液压管路在 20MPa 内压时,在不同振动频率激励下结构选定点上的加速度响应,为实际解决飞机液压管路的振动问题提供参考。
             
            5.1 谐响应分析基本理论
            谐响应分析也叫做频率响应分析或扫频分析,它是一种特殊的时域分析,计算结构在正弦激励(激励随时间呈正弦规律变化)作用下的稳态振动,也就是受迫振动分析,可计算响应幅值、频率等[58]。由谐响应分析的定义可知,确定线性结构在承受随时间按正弦规律变化的载荷时的稳态响应是谐响应分析的主要作用。通过谐响应分析,科研工作者可以得到结构在不同频率下的响应值对频率的曲线,对所研究对象的动力特性进行一定的预测,从而避免结构因疲劳、共振等产生的破坏。在展开有限元仿真计算之前,首先规定液压管路系统在坐标系中的位置。现作以下规定:顺着管路方向为 X 方向,顺着壁板高度方向为 Y 方向,水平方向为 Z 方向。管路前管夹、管路后接头两点为输入点,壁板上前后两点为输出点,输出点位置如图 5.1、图 5.2 所示。然后利用有限元分析软件 ANSYS 对液压管路系统在 20MPa 内压时,进行谐响应分析,其中频率范围设置为 0~600 Hz,取 200 个频率点结果,即频率分辨率为 3Hz;最后得到在不同振动频率激励下壁板上输出两点的加速度响应单峰值,并将其与试验得到的数据进行对比。
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            结 论
             
            本文针对实际液压管路系统,结合国内外液压管路流固耦合问题的研究方法,通过CATIA 软件对液压管路系统进行了合理的模型简化以及三维建模并借助有限元仿真分析软件 ANSYS/Workbench 进行了系统的仿真分析。取得的成果如下:
            (1)通过阅读相关文献,了解了飞机液压管路系统振动问题的研究现状,同时对研究飞机液压管路系统振动问题的理论方法进行归纳总结。联系到本文研究的具体问题,通过对比各个有限元仿真软件的优缺点,最终选择了利用 ANSYS/Workbench 软件进行液压管路系统的振动仿真分析。
            (2) 针对液压管路系统,首先遵循简化的基本原则和方法对其进行合理的简化,通过 CATIA 软件对其进行了三维建模并导入有限元仿真分析软件 ANSYS;然后在ANSYS/Workbench 软件中分别采用流固耦合法和等效质量法对其进行模拟计算;最后通过将仿真结果与测试数据进行对比分析,得出了以下结论:利用等效质量法和流固耦合法均能够对该液压管路系统展开模态分析,并且低阶模态特性仿真结果与测试结果误差很小,表明所建立的模型准确合理,可用于进一步的系统动力学特性分析。
            (3) 为了进一步探究管路本身的性质对其动力学特性的影响,将管路由硬管换成软管,进行了软管系统的模态分析。通过与硬管系统的仿真结果对比,结果表明将硬管更换为软管后系统的一阶固有频率稍有增大。
            (4) 典型状态下的压力-频率分析表明,管路压力的大小对其低阶频率的影响很小,可以认为管路的压力大小不影响管路的模态频率。其中在管路压力为 0MPa 时,频率与其他状态相差较大,原因是此时管路当中没有通油,管壁没有与流体耦合,导致管路频率较通油时有所增高。
            (5) 谐响应分析的结果表明,仿真数据与试验数据基本吻合。可以用该有限元模型对飞机液压管路系统开展进一步的动力特性预测。
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            参考文献(略)

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