基于ANSYS大流量管路流固耦合振动分析

程双娇

摘要：现如今，我国是科技快速发展的新时期，该文对液压系统管路流固藕合进行研究，建立大流量液压管路和流固藕合的数学模型。应用ANSYS软件研究不同条件(管路支撑间距、管路厚度)对管路特性的影响。分析结果表明:在其他条件不变的情况下，随着两支撑间距的增加，管路固有频率呈先增大后减小的趋势;随着管路厚度的增加，管路刚度增强，其固有频率也逐渐增大。在此基础上以超大型三轴试验仪为例，根据实际情况建立其大流量回油管路模型，探讨其振动问题。最后，应用以上研究结论提出不同的解决方案，通过仿真分析确定所选方案的参数，其研究成果可为其它管路系统的设计提供参考。

关键词：ANSYS;流固祸合;管路;谐振频率

引言

液压系统以其功重比高的特点被广泛应用于航空航天、船舶、重型机械等工业领域。液压管路作为液压系统的动力传输元件，在传递能量的同时也会受到泵源流量、压力脉动，结构基础激励、外部叠加载荷的作用，从而产生剧烈的流固耦合振动，为液压系统带来振动、噪声问题，威胁系统的可靠性。以航空液压系统为例，据中国民航总局统计，全部飞行事故中有超过30%是由于液压系统管路故障而引起的，而液压管路故障的主要诱因是管路结构变形、发热和振动。随着液压系统不断向高速高压化方向发展，液压管路的流固耦合振动也呈现出频域范围宽、振动幅值大的特点。因此，研究流体参数对液压管路流固耦合动力学行为影响规律，具有重要理论及工程意义。

1液压管路振动的复杂性

导致液压管路振动复杂的根源之一是液压泵的复杂振动。首先，液压泵受其结构影响，必然会产生复杂的宽频流量和压力脉动，二者相互影响，在管路中形成多种耦合相互作用的流量脉动。其次，液压泵内产生的气穴气蚀会在系统中形成瞬时高频脉冲振动，受流固耦合作用影响，进而衍生为宽频域、随机性强的振动波。第三，液压泵工作过程中，转子系统中各机械组件相互作用激发复杂的机械振动，激励泵内流体，进而形成复杂的流固耦合振动。导致液压管路振动复杂的根源之二是液压系统中元件及介质的耦合作用。首先，系统中的液压阀、液压缸、蓄能器、过滤器、管路等元件具有液阻、液容及液感特性，会在系统中产生强烈的非线性作用，相互耦合后进一步导致振动更为复杂；第二，执行机构驱动机械设备运动受到其反向作用，安装连接部分受到基础或减振支架的作用，均会将机械振动以强迫激励的形式作用到液压管路及管内流体中，其与管路振动耦合后，特性更为复杂。导致液压管路振动复杂的根源之三是液压管路中存在复杂耦合和演化作用。首先，管路振动往往受到摩擦耦合、泊松耦合、结合部耦合、Bourdon耦合等的综合作用，机理极为复杂；第二，液压管路管壁振动和内部流体脉动都以振动波的形式传递，其产生的固有振动和回冲振动，会形成驻波效应，导致其演化规律难以探索；第三，大部分液压管路的空间构型和管网拓扑结构复杂，导致在管路中产生复杂的三维湍流流动，由于湍流模型较为复杂，因此由此而引起的振动机理仍是个世界难题。随着液压系统向高速、高压、高功重比方向发展，管路振动频率及幅值呈大幅增长，导致其谐振失稳机理更加难以分析和预测。

2理论分析

2.1液压管路系统数学模型

2.2数值分析

针对充液管路流固耦合振动的分析方法已形成了一个较为完善的理论体系．由于充液管道振动问题的复杂性，单纯从一个角度去研究分析难以做到考虑问题的全面性，也不能准确地解决问题．目前，分析充液管路动力学特性的方法很多，研究内容的侧重点不同，主要从时域、频域等方面进行研究．使用的方法有特征线法，有限元法，特征线－有限元结合法，以及传递矩阵法等．近年来针对充液管路流固耦合振动的研究，在延伸了传统分析方法的基础上，着重寻求高精度高效可靠的数值计算方法．

2.3压力波特性分析

(1)当管道强制流体改变运动方向时，转角处压力波共振峰的数目明显增多，这是由于Burdon耦合引起的;(2)在三种边界条件下，随着管间夹角的减小，转角处压力波响应峰值向高频移动，且夹角变化对新增共振峰的影响较大;(3)当末端边界由自由变为封闭时，转角处压力波响应整体向低频移动，说明频谱曲线密集程度增高，流固耦合效应增强。在激励源大小相同的情况下，激励流体产生压力脉动响应较大，说明与管道结构振动相比，管道内部流体自身扰动更容易产生较大的流体噪声，因而消除管道噪声较为有效的方法是优化引起流体扰动的噪声源或在管道上加装消除流体脉动消音装置;另外，激励堵头产生的共振峰数多于激励流体产生的共振峰，说明管壁振动在较多的频段内均可引起的管内流体共振而产生流噪声，所以，为在较宽的频段内减小噪声，在优化噪声源和加装消声装置的同时，还应对管路系统采取减振和隔振措施。

2.4流固藕合理论

单向流固藕合是指流体和管路之间的相互作用的单方向的，基础是计算流体动力学(CFD)，就是通过求解流体微分方程来模拟流体的运动状态，考虑流体运动状态的改变对管路的影响，忽略管路变化对流体域的影响。单向流固藕合具有分析速度快、对计算机等硬件的要求不高、能满足工程分析的精度而广泛应用于流固祸合分析领域。计算的理论基础是连续性方程、动量守恒定律和能量守恒定律。

2.5系统仿真

三轴试验仪是典型的液压伺服系统，主要用于土的强度、应力应变性能和其他力学性能的测试，是研究土的强度和本构特性的重要设备。超大型三轴试验仪由于自身体积大使得管路长度比较长，管内流量大，导致管路振动特性比较复杂。回油管路一端连接高压伺服阀，一端连接油箱，在动态加载的时候，周期性的液压油经回油管路返回油箱，引起管路共振现象时有发生。该装置在动态加载试验的过程中，回油管路出现不同程度的振动现象，并伴有周期性的响声，初步认定该回油管路与外界扰动频率发生了共振。

2.6非线性振动模型及其他方面新成果

液压流固耦合管路的非线性因素包括：①流体流动动力学非线性；②高压状态下管路弹塑性大变形导致的几何非线性；③管路支撑参数慢变引起的非线性；④系统中上游动力元件及下游阻性元件之间的强耦合非线性。迄今为止，较为前沿的液压管路非线性振动机理研究包括：两相流固耦合多自由度非线性管路数学模型，低压状态下的管路振动分析，流固耦合管路非线性失稳机理，管路介质振动波理论。

2.7主动振动控制

主动振动控制通过检测结构反应和外界干扰信息，得出振动规律，然后由作动器输出反向振动波或控制力完成对振动的直接抑制，其工作需要外部能源输入以提供控制力。主动振动控制系统主要包括传感器、控制器和作动器。优点是主动适应性强，反应迅速，控制过程更为直接有效，因此，在结构振动控制领域取得了很多突破。

结语

(1)当管路长度、厚度和内径一定时，随着两支撑间距的增加，管路固有频率呈先增大后减小的趋势，因此在管路设计时应充分考虑两支撑间的距离，使其避开外界干扰频率，以防止共振的发生;(2)当管路长度、内径一定，且管路支撑相同时，随着管路厚度的增加，管路刚度增强，其固有频率也逐渐增大。因此，在设计管路时可通过适当增加管路的厚度来提高管路的刚度，进而达到提高管路的固有频率，避免共振的发生;(3)在工程实践中，外界环境比较复杂，装置要应对各种干扰，尤其是带有动态加载的系统，在管路设计和布局时，要充分考虑各种因素对管路固有频率的影响，防止管路共振的发生。

参考文献

[1]梁峰，杨晓东，闻邦椿.基于增量谐波平衡法的两端固定输流管参数共振[J].机械工程学报，2009，45(7)：126-130.

[2]高峰.飞机液压系统泵-管路振动特性研究[D].杭州：浙江大学，2013.