張海彪 鄒子劍 王立

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路用于輸送滑油、燃油和空氣等，是發(fā)動(dòng)機(jī)的“心血管”，其外部管路通常采用管接頭、卡箍進(jìn)行連接和安裝，形成復(fù)雜的外部管路系統(tǒng)。

管接頭、卡箍的使用勢(shì)必對(duì)管路系統(tǒng)的振動(dòng)特性產(chǎn)生影響，由于連接件尤其是卡箍的建模情況復(fù)雜，目前的航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路工程設(shè)計(jì)中，通常只考慮管路的動(dòng)力特性而忽略連接件對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)特性的作用，其結(jié)果雖簡(jiǎn)化了計(jì)算，但會(huì)產(chǎn)生較大誤差[1-2]。

本文基于有限元法，建立了常見管路、管接頭、卡箍的模型，在此基礎(chǔ)上，利用有限元軟件ANSYS對(duì)某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜外部管路進(jìn)行了仿真分析，并通過(guò)與模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，可為航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜外部管路設(shè)計(jì)提供參考。

1.有限元模型建立

1.1 管路模型建立

ANSYS中SOLID單元、SHELL單元和PIPE單元都適用于外部管路建模，通過(guò)對(duì)某管路分別采用三種單元建模計(jì)算，得到其各階模態(tài)對(duì)比如圖1所示，可見三種單元結(jié)果具有一致性，都能用于管路的仿真分析，本文選用其中建模單元數(shù)較少，計(jì)算時(shí)間較短的PIPE單元來(lái)建立管路模型。

圖1 三種單元各階模態(tài)計(jì)算結(jié)果

1.2 管接頭模型建立

對(duì)管接頭而言，其剛度大，可直接簡(jiǎn)化為管路周圍一圈不同屬性的材料[3]，有限元模型采用SOLID185實(shí)體單元建立，如圖2所示。

圖2 管接頭建模

1.3 卡箍模型建立

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路卡箍而言，可分為剛性卡箍和彈性卡箍2種，如圖3所示，剛性卡箍將管路固定在剛性支架上實(shí)現(xiàn)剛性支撐，與管路可視為固接；彈性卡箍為彈性板料并內(nèi)襯有聚四氟乙烯襯套，安裝在具有彈性的支架上，既能支撐固定管路，又起減振作用[4]。

圖3 常見卡箍形式

在研究振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，將剛性卡箍按固定支撐處理，有限元中在相應(yīng)位置施加位移全約束條件；對(duì)彈性卡箍，需同時(shí)考慮剛度和阻尼的作用，在ANSYS中可采用1維軸向彈簧單元COMBIN14來(lái)模擬其力學(xué)特性，如圖4所示，COMBIN14單元實(shí)質(zhì)是彈簧-阻尼器，其由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)彈簧常數(shù)（k）和阻尼系數(shù)（cv）1和（cv）2組成，在管路的模態(tài)分析中，可按如下步驟完成卡箍的力學(xué)模擬[5]。

圖4 彈性卡箍實(shí)體和模型

（1）添加COMBIN14單元，并指定其為1維軸向彈簧—阻尼器（根據(jù)卡箍支承方向選擇自由度）；

（2）通過(guò)實(shí)常數(shù)給定軸向剛度即可，單位是“力/長(zhǎng)度”；

（3）在已有有限元模型基礎(chǔ)上，使用COMBIN14單元連接卡箍所在位置的節(jié)點(diǎn)，為保證周向剛度均勻，一般一個(gè)卡箍可采用2個(gè)COMBIN14單元進(jìn)行模擬。

2.某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜外部管路振動(dòng)分析

2.1 管路實(shí)體模型

選取某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)外部復(fù)雜管路如圖5所示，此管路由兩根導(dǎo)管通過(guò)管接頭連接而成，在1、2、3位置處布置彈性卡箍。管路使用的材料為1Cr18Ni9Ti，彈性模量2.1e5MPa，泊松比為0.3，密度7900kg/m3，管路外徑為8mm，壁厚為1mm。

圖5 管路實(shí)體模型

2.2 有限元分析

管路建模采用PIPE單元，外徑8mm，壁厚1mm，周向劃分24份，對(duì)管路中心線進(jìn)行線網(wǎng)格劃分，共582個(gè)PIPE單元，管路兩端可看作固支，在兩端節(jié)點(diǎn)施加全約束。

在研究管路振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，卡箍質(zhì)量的影響可以不計(jì)，在ANSYS中用彈簧單元COMBIN14來(lái)模擬，若為求解管路的振動(dòng)響應(yīng)，卡箍建模時(shí)需同時(shí)考慮剛度和阻尼，本文只求解系統(tǒng)的固有模態(tài)，阻尼系數(shù)的影響可以忽略，只考慮剛度作用，具體方法如下：選取COMBIN14單元對(duì)管路上布置卡箍處施加彈支，其中，根據(jù)卡箍支承方向，1號(hào)支點(diǎn)加X(jué)和Y兩個(gè)方向彈支，2號(hào)和3號(hào)支點(diǎn)施加Y和Z兩個(gè)方向彈支，通過(guò)卡箍剛度試驗(yàn)測(cè)得其剛度為120N/mm，然后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，得到各階振型和頻率如圖6所示。

圖6 有限元分析結(jié)果

2.3 模態(tài)試驗(yàn)分析

針對(duì)前述的某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)外部復(fù)雜管路，在該發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)，模態(tài)試驗(yàn)采用錘擊法中的多點(diǎn)激振，單點(diǎn)拾振方式，共布置25個(gè)測(cè)點(diǎn)，傳感器位置在8號(hào)測(cè)點(diǎn)，采用加速度傳感器拾振，卡箍布置點(diǎn)為5號(hào)、9號(hào)、17號(hào)位置，管接頭在13號(hào)位置，所建模型如圖7所示。

圖7 模態(tài)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

由模態(tài)試驗(yàn)得到管路在兩端固支狀態(tài)下的傳遞函數(shù)如圖8所示。

圖8 傳遞函數(shù)圖

根據(jù)傳遞函數(shù)，確定固有振動(dòng)階數(shù)，進(jìn)一步采用實(shí)模態(tài)多自由度方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到管路在兩端固支的狀態(tài)下振動(dòng)的各階振型及頻率如圖9所示。

圖9 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

2.4 仿真與試驗(yàn)對(duì)比分析

仿真計(jì)算與模態(tài)試驗(yàn)各階頻率值對(duì)比如表1 所示。

表1 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

對(duì)比圖6和圖9，仿真和試驗(yàn)結(jié)果各階振型具有較好的一致性，因此所建立的有限元模型在剛度分布和質(zhì)量分布上與實(shí)際結(jié)構(gòu)相吻合；由表1可見，對(duì)于各階振動(dòng)頻率，仿真結(jié)果相對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的誤差均小于10%，前三階小于2%，證明所建立的復(fù)雜管路模型準(zhǔn)確性較好，可以滿足工程問(wèn)題的計(jì)算需求。

3.結(jié)論

（1）航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路中的管接頭、卡箍對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)特性有影響，在進(jìn)行管路振動(dòng)分析時(shí)有必要將其考慮在內(nèi)；

（2）仿真計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果有較好一致性，證明本文的外部復(fù)雜管路模型建立方法精度較高，可以滿足工程問(wèn)題計(jì)算需求；

（3）本文只研究了空管系統(tǒng)的模態(tài)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路而言，其內(nèi)部流動(dòng)液體會(huì)與其相互作用產(chǎn)生流固耦合振動(dòng)，在后續(xù)的研究中有必要對(duì)其進(jìn)行深層次的分析。