史杰+胡文

摘 要：為了優(yōu)化液壓管路應(yīng)力測試，減少測點(diǎn)數(shù)量，提高測試準(zhǔn)確度，提出在應(yīng)力測試前用ANSYS對管路進(jìn)行受力分析，試驗(yàn)后用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型修正。通過對管路進(jìn)行三維建模，將模型導(dǎo)入ANSYS，分析管路振動(dòng)時(shí)應(yīng)力分布，根據(jù)受力情況確定傳感器的安裝位置。后將測得的數(shù)據(jù)修正模型參數(shù)，通過模型計(jì)算最大應(yīng)力。通過ANSYS優(yōu)化應(yīng)力測試，減少了傳感器布置的數(shù)量，提高了測試的準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力測試 ANSYS 液壓系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：V216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（c）-0070-02

Stress Test of Hydraulic Tubing in Aircraft Based on ANSYS

SHI Jie HU Wen

（SCAFS of SADRI，COMAC，Shanghai 201210，China）

Abstract：In order to minimize the quantity of strain gauges and improve the accuracy in the stress test of hydraulic tubing.Stress analysis based on ANSYS before the test is proposed in this paper. The CATIA mockups of the hydraulic tubing are imported to ANSYS and the stress analysis is carried out by Workbench. The locations of sensors are optimized according to the calculated stress distribution. The data measured in the test is used to optimize the finite element model. The quantity of strain gauges used in the stress test can be minimized and accuracy can be improved in the field test by implementing the proposed method.

Key words：Stress test ANSYS Hydraulic system

飛機(jī)液壓系統(tǒng)的變量柱塞泵由于其自身的結(jié)構(gòu)以及油液的壓縮性等因素存在著瞬時(shí)的流量脈動(dòng)，由于實(shí)際流體的慣性和可壓縮性，流量脈動(dòng)引起壓力脈動(dòng)，形成沿管路傳播的壓力與流量脈動(dòng)波。壓力脈動(dòng)會(huì)激勵(lì)管路振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)過大時(shí)，會(huì)使管路疲勞破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

在某型飛機(jī)液壓系統(tǒng)試驗(yàn)中為了評估管路振動(dòng)時(shí)應(yīng)力水平，需要對管路進(jìn)行應(yīng)力測試，然而液壓管路總長度長，布置復(fù)雜。如果采用傳統(tǒng)的大面積粘貼應(yīng)變片測試方法需要在管路上布置大量的應(yīng)變片，而且應(yīng)變片的粘貼需要耗費(fèi)大量時(shí)間，而且大量應(yīng)變片的安裝會(huì)延長整個(gè)試驗(yàn)周期。

為了優(yōu)化應(yīng)變片的安裝，減少測試的點(diǎn)位，采用有限元分析軟件ANSYS，首先粗略計(jì)算對管路振動(dòng)時(shí)的應(yīng)力分布，在此分析基礎(chǔ)上選取合適的點(diǎn)位進(jìn)行應(yīng)力測試，最后根據(jù)實(shí)測的應(yīng)力數(shù)據(jù)，調(diào)整有限元模型，模擬真實(shí)應(yīng)力情況。

1 有限元分析

ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。軟件主要包括：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析等；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以圖形、圖表、曲線形式顯示或輸出。Workbench是ANSYS公司提出的協(xié)同仿真環(huán)境。

由于ANSYS可以導(dǎo)入其他建模軟件建立的三維模型，在管路的建模中使用CATIA軟件對液壓管路進(jìn)行分段建模，按照實(shí)際管路的安裝段。將建好的管路幾何模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，在Workbench中完成對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完網(wǎng)格的管路模型見圖1。接著對管路模型施加約束，在管路的管夾處和接口處施加固定約束。

使用Workbench中的模態(tài)求解器（Modal）求解模態(tài)。求解管路振動(dòng)時(shí)的模態(tài)是為了確認(rèn)管路的固有頻率沒有和流體壓力脈動(dòng)的激振力耦合，造成破壞性的振動(dòng)。由于高階頻率引起的振動(dòng)位移很小，因此考慮前幾階模態(tài)，模態(tài)的計(jì)算結(jié)果見表1。

使用Workbench中的靜力結(jié)構(gòu)求解器（Static Structural）求解管路受力。用集中載荷施加在管路上，模擬導(dǎo)管受力彎曲，可得到導(dǎo)管受力變形時(shí)應(yīng)力分布，見圖2。雖然計(jì)算所得的結(jié)果不能直接反應(yīng)真實(shí)應(yīng)力水平，只是一個(gè)粗略的結(jié)果，但是對應(yīng)變片的粘貼位置有指導(dǎo)作用。從圖中可以看到，管路應(yīng)力較大的區(qū)域在管接頭附近和管路彎曲的地方，在粘貼應(yīng)變片時(shí)應(yīng)選擇在這些地方進(jìn)行粘貼。另外，由于管路彎曲的不規(guī)則性，應(yīng)力分布也呈現(xiàn)不規(guī)則性，沒有線性的規(guī)律可循，這就給管路應(yīng)力測試帶來了困難，因?yàn)檎迟N應(yīng)變片的地方不一定是管路中應(yīng)變最大的地方。由此可見，要想評價(jià)管路應(yīng)力，用試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正理論計(jì)算，并估算最大應(yīng)力的方法更可行。

計(jì)算流體壓力造成的管路變形。在管路內(nèi)壁施加壓力，通過靜力結(jié)構(gòu)求解器求解可得管路受流體壓力導(dǎo)致的變形。把計(jì)算所得的環(huán)向應(yīng)力與實(shí)測的環(huán)向應(yīng)力進(jìn)行比較，用于調(diào)整模型參數(shù)。

2 應(yīng)變測試

按照ANSYS中計(jì)算應(yīng)力的分布情況，在管路上選取點(diǎn)安裝應(yīng)變片，由于在安裝時(shí)位置存在誤差，不一定能恰好安裝在計(jì)算應(yīng)力最大的位置，只是在計(jì)算應(yīng)力最大點(diǎn)的附近，因此在安裝的時(shí)候需要測量記錄下應(yīng)變片距離管接頭處的距離，安裝示意圖見圖3，一個(gè)測試點(diǎn)位上安裝兩片縱向應(yīng)變片和一片環(huán)向應(yīng)變片，用以測試不同方向上的應(yīng)變?？v向和環(huán)向應(yīng)變與應(yīng)力的換算關(guān)系[2]為：endprint

（1）

（2）

式中為縱向應(yīng)變，為環(huán)向應(yīng)變，為泊松比，對于金屬材料一般取0.3，為材料的彈性模量。

數(shù)據(jù)采集儀器采用PROSIG公司的P8048動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，該儀器配備48個(gè)測試通道，滿足傳感器數(shù)量多時(shí)的測試需求。內(nèi)置的橋路設(shè)計(jì)，通過改變導(dǎo)線接法和軟件的設(shè)置即可完成全橋，半橋或者1/4橋的配置。在測量液壓管路的試驗(yàn)中，由于管路分布較廣導(dǎo)致導(dǎo)線較長，為了補(bǔ)償長導(dǎo)線電阻帶來的橋路不平衡，選用了3線制1/4橋，在試驗(yàn)中采用DC耦合的方式采集數(shù)據(jù)。

首先在試驗(yàn)中測量管路的固有頻率。用力錘敲擊管路，使用應(yīng)變儀采集應(yīng)變信號(hào)。

隨后采集系統(tǒng)工作時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)，啟動(dòng)電動(dòng)液壓泵，對粘貼的應(yīng)變片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測得的管路縱向應(yīng)變信號(hào)如圖4所示，橫軸為時(shí)間，縱軸為信號(hào)幅值。由圖可見，管路增壓的時(shí)候出現(xiàn)大的應(yīng)變階躍，隨后出現(xiàn)的高頻的交變應(yīng)變。

3 數(shù)據(jù)處理

通過處理錘擊響應(yīng)信號(hào)可得管路的固有頻率，將此固有頻率與計(jì)算的模態(tài)頻率進(jìn)行對比，可調(diào)整有限元模型的參數(shù)。將徑向應(yīng)變信號(hào)高通濾波后進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，計(jì)算可得實(shí)測信號(hào)的頻率變化，為電動(dòng)泵產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)的頻率。將實(shí)測管路的固有頻率和脈動(dòng)頻率進(jìn)行比對，用于判定頻率是否會(huì)耦合而發(fā)生共振。

對液壓系統(tǒng)工作時(shí)的應(yīng)變信號(hào)，首先對信號(hào)通過高通濾波器，濾除直流分量和低頻信號(hào)分量，得到信號(hào)的應(yīng)變的交變幅值，使用公式（1）（2），將應(yīng)變幅值轉(zhuǎn)換成應(yīng)力幅值大小。由于管路的疲勞與交變的應(yīng)力變化有關(guān)，因此在試驗(yàn)中更關(guān)心應(yīng)力幅值的變化。

在ANSYS中定位管路實(shí)際測量點(diǎn)的位置，用實(shí)際測得的應(yīng)力大小調(diào)整模型的加載，直至計(jì)算應(yīng)力和實(shí)測應(yīng)力相近，此時(shí)認(rèn)為模型已經(jīng)修正完畢，尋找模型中應(yīng)力最大的點(diǎn)作為危險(xiǎn)點(diǎn)。

4 結(jié)語

通過有限元軟件ANSYS Workbench首先對管路進(jìn)行受力分析，再根據(jù)應(yīng)力分布選擇應(yīng)力測試的點(diǎn)位，減少了不必要應(yīng)變片粘貼點(diǎn)位，節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間，最后根據(jù)測試點(diǎn)位的應(yīng)力數(shù)據(jù)修正模型，找出最大應(yīng)力點(diǎn)，理論計(jì)算和實(shí)際測試相結(jié)合，有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘陸原，等.飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)管路振動(dòng)特性分析[J].機(jī)床與液壓，2000（6）： 20-21.

[2] 唐永進(jìn).壓力管路應(yīng)力分析[M].北京：中國石化出版社，2003：32-33.endprint

（1）

（2）

式中為縱向應(yīng)變，為環(huán)向應(yīng)變，為泊松比，對于金屬材料一般取0.3，為材料的彈性模量。

數(shù)據(jù)采集儀器采用PROSIG公司的P8048動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，該儀器配備48個(gè)測試通道，滿足傳感器數(shù)量多時(shí)的測試需求。內(nèi)置的橋路設(shè)計(jì)，通過改變導(dǎo)線接法和軟件的設(shè)置即可完成全橋，半橋或者1/4橋的配置。在測量液壓管路的試驗(yàn)中，由于管路分布較廣導(dǎo)致導(dǎo)線較長，為了補(bǔ)償長導(dǎo)線電阻帶來的橋路不平衡，選用了3線制1/4橋，在試驗(yàn)中采用DC耦合的方式采集數(shù)據(jù)。

首先在試驗(yàn)中測量管路的固有頻率。用力錘敲擊管路，使用應(yīng)變儀采集應(yīng)變信號(hào)。

隨后采集系統(tǒng)工作時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)，啟動(dòng)電動(dòng)液壓泵，對粘貼的應(yīng)變片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測得的管路縱向應(yīng)變信號(hào)如圖4所示，橫軸為時(shí)間，縱軸為信號(hào)幅值。由圖可見，管路增壓的時(shí)候出現(xiàn)大的應(yīng)變階躍，隨后出現(xiàn)的高頻的交變應(yīng)變。

3 數(shù)據(jù)處理

通過處理錘擊響應(yīng)信號(hào)可得管路的固有頻率，將此固有頻率與計(jì)算的模態(tài)頻率進(jìn)行對比，可調(diào)整有限元模型的參數(shù)。將徑向應(yīng)變信號(hào)高通濾波后進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，計(jì)算可得實(shí)測信號(hào)的頻率變化，為電動(dòng)泵產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)的頻率。將實(shí)測管路的固有頻率和脈動(dòng)頻率進(jìn)行比對，用于判定頻率是否會(huì)耦合而發(fā)生共振。

對液壓系統(tǒng)工作時(shí)的應(yīng)變信號(hào)，首先對信號(hào)通過高通濾波器，濾除直流分量和低頻信號(hào)分量，得到信號(hào)的應(yīng)變的交變幅值，使用公式（1）（2），將應(yīng)變幅值轉(zhuǎn)換成應(yīng)力幅值大小。由于管路的疲勞與交變的應(yīng)力變化有關(guān)，因此在試驗(yàn)中更關(guān)心應(yīng)力幅值的變化。

在ANSYS中定位管路實(shí)際測量點(diǎn)的位置，用實(shí)際測得的應(yīng)力大小調(diào)整模型的加載，直至計(jì)算應(yīng)力和實(shí)測應(yīng)力相近，此時(shí)認(rèn)為模型已經(jīng)修正完畢，尋找模型中應(yīng)力最大的點(diǎn)作為危險(xiǎn)點(diǎn)。

4 結(jié)語

通過有限元軟件ANSYS Workbench首先對管路進(jìn)行受力分析，再根據(jù)應(yīng)力分布選擇應(yīng)力測試的點(diǎn)位，減少了不必要應(yīng)變片粘貼點(diǎn)位，節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間，最后根據(jù)測試點(diǎn)位的應(yīng)力數(shù)據(jù)修正模型，找出最大應(yīng)力點(diǎn)，理論計(jì)算和實(shí)際測試相結(jié)合，有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘陸原，等.飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)管路振動(dòng)特性分析[J].機(jī)床與液壓，2000（6）： 20-21.

[2] 唐永進(jìn).壓力管路應(yīng)力分析[M].北京：中國石化出版社，2003：32-33.endprint

（1）

（2）

式中為縱向應(yīng)變，為環(huán)向應(yīng)變，為泊松比，對于金屬材料一般取0.3，為材料的彈性模量。

數(shù)據(jù)采集儀器采用PROSIG公司的P8048動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，該儀器配備48個(gè)測試通道，滿足傳感器數(shù)量多時(shí)的測試需求。內(nèi)置的橋路設(shè)計(jì)，通過改變導(dǎo)線接法和軟件的設(shè)置即可完成全橋，半橋或者1/4橋的配置。在測量液壓管路的試驗(yàn)中，由于管路分布較廣導(dǎo)致導(dǎo)線較長，為了補(bǔ)償長導(dǎo)線電阻帶來的橋路不平衡，選用了3線制1/4橋，在試驗(yàn)中采用DC耦合的方式采集數(shù)據(jù)。

首先在試驗(yàn)中測量管路的固有頻率。用力錘敲擊管路，使用應(yīng)變儀采集應(yīng)變信號(hào)。

隨后采集系統(tǒng)工作時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)，啟動(dòng)電動(dòng)液壓泵，對粘貼的應(yīng)變片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測得的管路縱向應(yīng)變信號(hào)如圖4所示，橫軸為時(shí)間，縱軸為信號(hào)幅值。由圖可見，管路增壓的時(shí)候出現(xiàn)大的應(yīng)變階躍，隨后出現(xiàn)的高頻的交變應(yīng)變。

3 數(shù)據(jù)處理

通過處理錘擊響應(yīng)信號(hào)可得管路的固有頻率，將此固有頻率與計(jì)算的模態(tài)頻率進(jìn)行對比，可調(diào)整有限元模型的參數(shù)。將徑向應(yīng)變信號(hào)高通濾波后進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，計(jì)算可得實(shí)測信號(hào)的頻率變化，為電動(dòng)泵產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)的頻率。將實(shí)測管路的固有頻率和脈動(dòng)頻率進(jìn)行比對，用于判定頻率是否會(huì)耦合而發(fā)生共振。

對液壓系統(tǒng)工作時(shí)的應(yīng)變信號(hào)，首先對信號(hào)通過高通濾波器，濾除直流分量和低頻信號(hào)分量，得到信號(hào)的應(yīng)變的交變幅值，使用公式（1）（2），將應(yīng)變幅值轉(zhuǎn)換成應(yīng)力幅值大小。由于管路的疲勞與交變的應(yīng)力變化有關(guān)，因此在試驗(yàn)中更關(guān)心應(yīng)力幅值的變化。

在ANSYS中定位管路實(shí)際測量點(diǎn)的位置，用實(shí)際測得的應(yīng)力大小調(diào)整模型的加載，直至計(jì)算應(yīng)力和實(shí)測應(yīng)力相近，此時(shí)認(rèn)為模型已經(jīng)修正完畢，尋找模型中應(yīng)力最大的點(diǎn)作為危險(xiǎn)點(diǎn)。

4 結(jié)語

通過有限元軟件ANSYS Workbench首先對管路進(jìn)行受力分析，再根據(jù)應(yīng)力分布選擇應(yīng)力測試的點(diǎn)位，減少了不必要應(yīng)變片粘貼點(diǎn)位，節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間，最后根據(jù)測試點(diǎn)位的應(yīng)力數(shù)據(jù)修正模型，找出最大應(yīng)力點(diǎn)，理論計(jì)算和實(shí)際測試相結(jié)合，有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘陸原，等.飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)管路振動(dòng)特性分析[J].機(jī)床與液壓，2000（6）： 20-21.

[2] 唐永進(jìn).壓力管路應(yīng)力分析[M].北京：中國石化出版社，2003：32-33.endprint