飞机某种管道随机振动及设计改进研究_李牧皛.pdf

图 1案例飞机管路模型的简化模型飞机某种管道随机振动及设计改进研究李牧皛，刘畅，张平，王福川，刘星，许栋（成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川成都610073）摘要：以某型飞机液压管道为研究对象，采用 ANSYS Workbench 有限元分析软件构建随机振动环境下管道结构有限元分析模型，了解基础激励下管道结构应力极限，同时从支撑参数、边界约束等方面就飞机液压管道随机振动影响因素进行了简要分析，并根据分析结果指出设计改进要点，以期为飞机管路防振设计提供指导，延长管道使用寿命。关键词：飞机管道设计随机振动中图分类号：V228.1文献标识码：A文章编号：2095-0748（2023）01-0087-03引言飞机管路是飞机重要组成部分，其设计质量对飞机安全、舒适、稳定运行存在直接影响。研究发现，飞机设计故障中约有 50%左右属于飞机管路故障，而飞机管路故障中，振动因素占据较大比重。因此，在飞机管路设计中应给予飞机管路振动预防与控制高度重视。飞机实际运行中，液压管道、燃油管道等多处于复杂环境中，加之随着近些年飞机性能的不断提高，管道结构精密度提高，导致其在流体脉动激励、随机激励等作用下发生振动，出现管道结构疲劳、磨损等问题，从而降低管道结构性能，缩短管道结构使用寿命，增加飞机运行风险。本研究则以液压管道为研究对象，基于有限元分析探寻其随机振动影响因素，意在明确飞机液压管道设计改进要点，提高飞机管路设计质量。1飞机管路结构模型的构建分析为能够在 ANSYS Workbench 有限元分析中有效获得案例飞机液压管道结构振动特性，先针对某型飞机液压管道系统进行了等效简化处理构建了简单结构模型。在该模型构建中，取案例飞机液压泵与油滤之间管段管路。此段管路工作环境复杂，既有来自基础随机激励的振动，也有来自冲击压力、流体脉动激励的振动，故选取此段管路研究具有一定现实意义1。此段管路模型主要由内径 13 mm，外径 16 mm，长度分别为 1.10 m、0.31 m、0.50 m的硬管构成，一个出口位置配有法兰盘与两通接头，两个出口位置配有管夹、两通接头，管理链接位置配有三通接头、法兰盘等，整个模型共有管夹 4 个，法兰盘 2 个，两通接头 2 个，三通接头 1 个。利用 CATIA软件、SolidWork 软件，按照“简化 CATIA 模型取量管道各构件几何参数并建立相应简化模型结合取量管路结构构建位置信息，参照原模型装配得到重构模型利用 ANSYS Work-bench 软件进行动力学仿真分析”流程对案例飞机液压管路模型进行简化与重构，得到如图 1 所示的简化模型2。根据案例飞机管路模型简化模型，在有限元软件仿真分析之前，从管路结构材料、管路结构边界条件等方面进行了预处理。其中管路结构材料预处理主要表现为材料参数确定，详见表 1。管路结构边界条件预处理主要表现为约束设置，如管道与管夹之间、管夹各元件之间、管道与接头之间、管道与流体之间均设置“绑定接触”；出口端面、壁板面设置“固定约束”；管道-流体接触面社会“流固耦合面约束”等3。此外，对于导管、弯头、套管和螺栓等构件进行了网格划分，以满足有限元分析对管路构件的网格质量需求。在完成上述操作后，取 297.18755.71 Hz 固有频率，探究案例飞机管路结构十阶振型，发现案例飞机液压管路模型在（45050）Hz 范围内振动较密集，在各频段振动中，硬管 1 与管夹 2 振动相对频繁，且XOZ 平面 297.18461.09 Hz 振型中，振动在 X 方向收稿日期：2022-04-19第一作者简介：李牧皛（1988），男，河北石家庄人，工程师，从事机械振动控制。总第 223 期2023 年第 1 期现代工业经济和信息化Modern Industrial Economyand InformationizationTotal 223No.1，2023DOI:10.16525/ki.14-1362/n.2023.01.032表 1案例飞机管路模型中各元件材料参数元件名称材料类型弹性模型/GPa密度/（kg m-3）泊松比接头钛合金1124 5000.31高压管不锈钢2047 9000.31管夹套/垫片铝合金662 8000.34管夹块氟塑料0.282 2000.41支架铝合金682 7590.34螺栓合金结构钢1967 7500.31壁板钛合金1104 4420.32铆钉铝合金692 8000.32液压油体积模量 0.7 GPa，运动黏度与动力黏度分别为 4.510-6与 0.003 75 Pa s，声速约 917 m/s技术创新出口 1管夹 3硬管 2法兰盘 2管夹 490两通接头 1硬管 1管夹 2三通接头硬管 390两通接头 2出口 2法兰盘 1管夹 1入口现代工业经济和信息化第 13 卷较为显著。提示，在案例飞机管路设计中，应给予硬管1 与管夹 2 振动情况高度重视，以免其频繁振动发生磨损、变形等问题。2基础激励下飞机管路 ANSYS Workbench 有限元分析ANSYS Workbench 软件是功能较为强大的模型分析软件，能够对各种构件设计提供准确、全面、综合的仿真信息，向用户提供多物理场耦合解决方案。多数研究证实，利用该软件在各种激励下飞机管路结构应力响应分析中具有较好效果。故本次研究运用ANSYS Workbench 软件构建基础激励下案例飞机液压管道有限元仿真模型。在实际分析中，综合考虑案例飞机液压管路实际情况，设计将管道内液压油压力以预应力行驶加到液压管道内壁中，得到液压管道在预应力情况下的模态，并在此基础上完成随机振动响应分析。在此过程中，等效处理后，根据管路密度（?）计算公式“?=tVt+fVfVt”（式中：t为管路密度；f为液压油密度；Vt为管路体积；Vf为液压油体积）可知案例飞机液压管理模型中高压管（1 管路、2 管路、3 管路）与直角管接头（1 接头、2 接头）、三通管接头的等效质量密度，因高压管内外直径相同，且液压油均匀分布在高压管内部，因此在高压管等效处理之后，其质量密度相同4。在案例飞机液压管路模型中，因两通管接头 1 存在法兰盘，其整体质量较大，故等效处理后其目的相对与两通接头 2 较大。在实际分析中，因动力响应受阻尼影响较大，故在案例飞机液压管路动力学分析过程中，需要考虑阻尼因素。本次研究过程中则主要运用比列阻尼进行分析。根据液压管路结构总阻尼比（）与频率点（与 ）之间存在的关系，可得到黏性 阻尼系数与单元 阻尼系数，即=21+12=22+22。由于飞机管路设计中多考率飞机液压管路模型在 2 000 Hz以内的参数，而在 2 000 Hz以内条件下“2i”的值较小，故案例飞机液压管理分析中仅考虑单元 阻尼影响即可5。i表示响应频率，与飞机液压管路各阶固有频率存在“i=2fi”关系，故通过“=2i”公式，可得到飞机液压管路各阶固有频率下单元 阻尼值，如案例飞机管路一阶固有频率为 297.18 Hz，如果取0.02，则 单 元 阻 尼 值 为 2 0.02 （2 3.14 297.18）2.1410-5。ANSYS Workbench 软件中具有阻尼系数自动求解功能，故可在系统界面功能下输入相关参数值即可获得所需阻尼系数。经软件分析，发现安利飞机液压管道结构中，管夹 2 所在位置为应力最大区域，管夹 2 螺栓位置最大应力超过 45 MPa；基础随机激励条件下，案例飞机液压管道结构在 X 方向上最大位移响应为硬管 3，在 Y 方向上最大位移响应为硬管 1，在 Z 方向最大位移相应为硬管 1，提示硬管 1 是案例飞机液压管道结构中最容易发生位移变形的结构。可能和该管段距离长，跨度大相关，在对案例飞机液压管路进行设计改进时，应着重对硬管 1 进行设计分析，尽可能减少随机振动对该管段的影响。3飞机管路结构设计改进要点分析为深入了解随机振动对飞机管路结构的影响情况，明确飞机管路结构设计要点，围绕案例飞机液压管路结构中的支撑参数、边界约束进行了分析，具体如下所述。3.1基于支撑参数影响的设计改进案例飞机液压管路结构设计改进过程中，为提高管路结构设计质量，合理选用与安装管路结构支撑件，需要有效构建案例飞机液压管路结构支撑件模型，综合分析管路支撑件，如位置、尺寸等参数对案例飞机液压管路结构随机振动的影响。有上述分析可知，案例飞机液压管路结构支撑件中，管夹 2 应力响应较为明显，故以管夹 2 为例，就其位置变化存在的影响进行了探究，得出表 2 结果。由表 2 数据可知，因管夹 2 上的三通管接头应力响应结果最大，且相对于管夹 2 所在管段其他位置而言，随支撑位置变化而发生的改变较为明显。由于三通管接头在 Z 方向的应变结果较大，故我们利用有限元分析软件绘制 Z 方向管夹 2 三通管接头在 080 mm 的应变云图，发现从起始端在终点端逐渐移动过程中，三通管接头应力与应变均呈降低改变。与此同时，研究发现管夹 2 支撑位置变化对管夹 1 随机振动激励下危险点影响不大。故在飞机管路结构中，三通管通过法兰盘和管路壁板连接，随机振动激励施加到壁板上，但管夹 2 支撑距离三通管位置发生改变时三通管所在管段约束增加，应力减弱。因此，在飞机管路设计过程中，管理支撑件不应设在弯曲段，需要严格按照液压管路设计需求，将其合理设计与有效安全在管路结构直管段。3.2给予边界约束影响的设计改进飞机管路结构中所采用的边界约束形式众多，了解边界约束条件对飞机管路结构随机振动的影响，便于飞机管路结构设计改进时进行边界约束形式选。以硬管 2 所在管段为例，分析自由约束、铰支约束、固支表 2不同支撑位置管夹 2 各部件最大应力情况位置0 mm 10 mm 20 mm 30 mm 40 mm 50 mm 60 mm 70 mm 80 mm硬管25.429.232.829.123.819.515.813.111.3接头40.139.939.839.137.034.632.729.338.8支架27.828.428.628.227.426.626.226.326.9垫片30.529628.427.226.125.224.423.923.7882023 年第 1 期OpenCV-based Real-time Car Position Detection SystemMa Ning（Soochow University,Suzhou Jiangsu 215100）Abstract:In order to solve the problem of difficult parking caused by the increasing number of private cars,the detection and statistics ofparking spaces are implemented based on OpenCV and convolutional neural networks using various algorithms such as Hough transform.Through several tests,it is shown that the system has an accuracy rate of over 90%,can run smoothly on general equipment,and candisplay data in real time with good adaptability,which can provide timely and effective analysis data for parking management and alleviatethe problem of parking difficulties.Key words:OpenCV;parking space detection;convolutional neural network;parking difficulty约束下硬管端口管路前十阶固有频率，发现不同约束条件下，