史杰+胡文

摘 要：為了優(yōu)化液壓管路應力測試，減少測點數(shù)量，提高測試準確度，提出在應力測試前用ANSYS對管路進行受力分析，試驗后用試驗數(shù)據(jù)進行模型修正。通過對管路進行三維建模，將模型導入ANSYS，分析管路振動時應力分布，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)，通過模型計算最大應力。通過ANSYS優(yōu)化應力測試，減少了傳感器布置的數(shù)量，提高了測試的準確度。

關鍵詞：應力測試 ANSYS 液壓系統(tǒng)

中圖分類號：V216 文獻標識碼：A 文章編號：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

飛機液壓系統(tǒng)的變量柱塞泵由于其自身的結構以及油液的壓縮性等因素存在著瞬時的流量脈動，由于實際流體的慣性和可壓縮性，流量脈動引起壓力脈動，形成沿管路傳播的壓力與流量脈動波。壓力脈動會激勵管路振動，當振動過大時，會使管路疲勞破壞，造成巨大的經濟損失[1]。

在某型飛機液壓系統(tǒng)試驗中為了評估管路振動時應力水平，需要對管路進行應力測試，然而液壓管路總長度長，布置復雜。如果采用傳統(tǒng)的大面積粘貼應變片測試方法需要在管路上布置大量的應變片，而且應變片的粘貼需要耗費大量時間，而且大量應變片的安裝會延長整個試驗周期。

為了優(yōu)化應變片的安裝，減少測試的點位，采用有限元分析軟件ANSYS，首先粗略計算對管路振動時的應力分布，在此分析基礎上選取合適的點位進行應力測試，最后根據(jù)實測的應力數(shù)據(jù)，調整有限元模型，模擬真實應力情況。

1 有限元分析

ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。軟件主要包括：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，可以方便地構造有限元模型；分析計算模塊包括結構分析、流體動力學分析等；后處理模塊可將計算結果以圖形、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軟件對液壓管路進行分段建模，按照實際管路的安裝段。將建好的管路幾何模型導入到ANSYS Workbench中，在Workbench中完成對幾何模型進行網格劃分，劃分完網格的管路模型見圖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)。求解管路振動時的模態(tài)是為了確認管路的固有頻率沒有和流體壓力脈動的激振力耦合，造成破壞性的振動。由于高階頻率引起的振動位移很小，因此考慮前幾階模態(tài)，模態(tài)的計算結果見表1。

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

計算流體壓力造成的管路變形。在管路內壁施加壓力，通過靜力結構求解器求解可得管路受流體壓力導致的變形。把計算所得的環(huán)向應力與實測的環(huán)向應力進行比較，用于調整模型參數(shù)。

2 應變測試

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

（1）

（2）

式中為縱向應變，為環(huán)向應變，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動態(tài)應變儀，該儀器配備48個測試通道，滿足傳感器數(shù)量多時的測試需求。內置的橋路設計，通過改變導線接法和軟件的設置即可完成全橋，半橋或者1/4橋的配置。在測量液壓管路的試驗中，由于管路分布較廣導致導線較長，為了補償長導線電阻帶來的橋路不平衡，選用了3線制1/4橋，在試驗中采用DC耦合的方式采集數(shù)據(jù)。

首先在試驗中測量管路的固有頻率。用力錘敲擊管路，使用應變儀采集應變信號。

隨后采集系統(tǒng)工作時的動態(tài)應變數(shù)據(jù)，啟動電動液壓泵，對粘貼的應變片進行數(shù)據(jù)采集。測得的管路縱向應變信號如圖4所示，橫軸為時間，縱軸為信號幅值。由圖可見，管路增壓的時候出現(xiàn)大的應變階躍，隨后出現(xiàn)的高頻的交變應變。

3 數(shù)據(jù)處理

通過處理錘擊響應信號可得管路的固有頻率，將此固有頻率與計算的模態(tài)頻率進行對比，可調整有限元模型的參數(shù)。將徑向應變信號高通濾波后進行短時傅里葉變換，計算可得實測信號的頻率變化，為電動泵產生的壓力脈動的頻率。將實測管路的固有頻率和脈動頻率進行比對，用于判定頻率是否會耦合而發(fā)生共振。

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

在ANSYS中定位管路實際測量點的位置，用實際測得的應力大小調整模型的加載，直至計算應力和實測應力相近，此時認為模型已經修正完畢，尋找模型中應力最大的點作為危險點。

4 結語

通過有限元軟件ANSYS Workbench首先對管路進行受力分析，再根據(jù)應力分布選擇應力測試的點位，減少了不必要應變片粘貼點位，節(jié)省了試驗時間，最后根據(jù)測試點位的應力數(shù)據(jù)修正模型，找出最大應力點，理論計算和實際測試相結合，有一定的工程實用價值。

參考文獻

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

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

（1）

（2）

式中為縱向應變，為環(huán)向應變，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動態(tài)應變儀，該儀器配備48個測試通道，滿足傳感器數(shù)量多時的測試需求。內置的橋路設計，通過改變導線接法和軟件的設置即可完成全橋，半橋或者1/4橋的配置。在測量液壓管路的試驗中，由于管路分布較廣導致導線較長，為了補償長導線電阻帶來的橋路不平衡，選用了3線制1/4橋，在試驗中采用DC耦合的方式采集數(shù)據(jù)。

首先在試驗中測量管路的固有頻率。用力錘敲擊管路，使用應變儀采集應變信號。

隨后采集系統(tǒng)工作時的動態(tài)應變數(shù)據(jù)，啟動電動液壓泵，對粘貼的應變片進行數(shù)據(jù)采集。測得的管路縱向應變信號如圖4所示，橫軸為時間，縱軸為信號幅值。由圖可見，管路增壓的時候出現(xiàn)大的應變階躍，隨后出現(xiàn)的高頻的交變應變。

3 數(shù)據(jù)處理

通過處理錘擊響應信號可得管路的固有頻率，將此固有頻率與計算的模態(tài)頻率進行對比，可調整有限元模型的參數(shù)。將徑向應變信號高通濾波后進行短時傅里葉變換，計算可得實測信號的頻率變化，為電動泵產生的壓力脈動的頻率。將實測管路的固有頻率和脈動頻率進行比對，用于判定頻率是否會耦合而發(fā)生共振。

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

在ANSYS中定位管路實際測量點的位置，用實際測得的應力大小調整模型的加載，直至計算應力和實測應力相近，此時認為模型已經修正完畢，尋找模型中應力最大的點作為危險點。

4 結語

通過有限元軟件ANSYS Workbench首先對管路進行受力分析，再根據(jù)應力分布選擇應力測試的點位，減少了不必要應變片粘貼點位，節(jié)省了試驗時間，最后根據(jù)測試點位的應力數(shù)據(jù)修正模型，找出最大應力點，理論計算和實際測試相結合，有一定的工程實用價值。

參考文獻

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

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

（1）

（2）

式中為縱向應變，為環(huán)向應變，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動態(tài)應變儀，該儀器配備48個測試通道，滿足傳感器數(shù)量多時的測試需求。內置的橋路設計，通過改變導線接法和軟件的設置即可完成全橋，半橋或者1/4橋的配置。在測量液壓管路的試驗中，由于管路分布較廣導致導線較長，為了補償長導線電阻帶來的橋路不平衡，選用了3線制1/4橋，在試驗中采用DC耦合的方式采集數(shù)據(jù)。

首先在試驗中測量管路的固有頻率。用力錘敲擊管路，使用應變儀采集應變信號。

隨后采集系統(tǒng)工作時的動態(tài)應變數(shù)據(jù)，啟動電動液壓泵，對粘貼的應變片進行數(shù)據(jù)采集。測得的管路縱向應變信號如圖4所示，橫軸為時間，縱軸為信號幅值。由圖可見，管路增壓的時候出現(xiàn)大的應變階躍，隨后出現(xiàn)的高頻的交變應變。

3 數(shù)據(jù)處理

通過處理錘擊響應信號可得管路的固有頻率，將此固有頻率與計算的模態(tài)頻率進行對比，可調整有限元模型的參數(shù)。將徑向應變信號高通濾波后進行短時傅里葉變換，計算可得實測信號的頻率變化，為電動泵產生的壓力脈動的頻率。將實測管路的固有頻率和脈動頻率進行比對，用于判定頻率是否會耦合而發(fā)生共振。

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

在ANSYS中定位管路實際測量點的位置，用實際測得的應力大小調整模型的加載，直至計算應力和實測應力相近，此時認為模型已經修正完畢，尋找模型中應力最大的點作為危險點。

4 結語

通過有限元軟件ANSYS Workbench首先對管路進行受力分析，再根據(jù)應力分布選擇應力測試的點位，減少了不必要應變片粘貼點位，節(jié)省了試驗時間，最后根據(jù)測試點位的應力數(shù)據(jù)修正模型，找出最大應力點，理論計算和實際測試相結合，有一定的工程實用價值。

參考文獻

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

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