付 月,趙 程,趙翹楚，槐艷艷

(沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110850)

0 引 言

飛機的液壓系統(tǒng)是飛機安全性和可靠性的保障。活塞式蓄能器是其液壓系統(tǒng)中一種液壓能儲能裝置，一方面通過蓄積壓力能，作為系統(tǒng)備用能源以應對不時之需；另一方面可以吸收壓力沖擊或減輕油路中的壓力波動?；钊叫钅芷鞯墓δ苁⒅苯佑绊懙揭簤焊郊氖褂脡勖覍τ陲w機整個液壓系統(tǒng)也會產生非常不利的影響，嚴重的甚至直接危及飛行安全[1]。活塞式蓄能器的正常工作是飛機液壓系統(tǒng)正常運轉的關鍵，其結構設計是否滿足強度要求是必須考慮的問題，尤其面對現代飛機性能越來越好、飛行環(huán)境越來越嚴酷的形勢下，研究溫度場的改變是否會影響活塞式蓄能器的結構性能，越來越值得關注。

一些研究學者針對液壓系統(tǒng)中氣囊式蓄能器的關鍵性能參數進行了研究。王紀森等[2]首先建立了含蓄能器液壓試驗臺的理論模型，并結合軟件進行仿真分析得出，蓄能器體積、預充氣壓力、連接管路通徑和長度都是主要的影響參數；李明杰等[3]針對該類型蓄能器，在理論分析基礎上，采用計算機仿真與試驗驗證相結合方法，定量化給出了蓄能器主要性能參數對液壓系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，為蓄能器的合理選擇提供了參考和依據；鄭占君[4]針對民機剎車系統(tǒng)中的蓄能器展開研究，通過建立數學關系模型，采用理論方法分析了蓄能器的應急剎車能力，該方法可作為產品設計之初判定結構是否滿足設計要求的一種有效的鑒定方法。

針對飛機液壓系統(tǒng)中的活塞式蓄能器，考慮到飛機飛行時存在不同溫度環(huán)境間的轉變，筆者采用仿真分析手段，針對不同溫度環(huán)境轉變情況進行溫度場計算工況的分析。在此基礎上，對不同的溫度場工況，分別進行了強度仿真分析，比較了不同工況下，溫度場的改變對于活塞式蓄能器性能影響的規(guī)律曲線，為活塞式蓄能器結構設計提供了參考和依據。

1 活塞式蓄能器的工作原理

活塞式蓄能器主要由兩部分組成，中間圓筒和兩端端蓋。端蓋一側端口分別接進油管和出油管，另一側端口接氣管。其工作原理為：由活塞將蓄能器隔離，分為油腔和氣腔。預先對氣腔充入具有一定壓力的氮氣，將油液部分與液壓回路連接在一起。當壓力升高時蓄能器吸收液體，氣體被壓縮；當壓力達到28 MPa時，停止增壓，此時達到工作壓力；泄壓時，被壓縮的氣體膨脹，將蓄積的壓力油液壓入液壓回路。

2 活塞式蓄能器的材料屬性

活塞式蓄能器采用兩種材料構成，中間圓筒材料為鋼，兩端端蓋材料為鈦合金，兩種材料屬性如表1所列。

表1 材料屬性

3 活塞式蓄能器的有限元仿真

采用MSC.Patran/Nastran軟件對活塞式蓄能器進行有限元建模。模型中共劃分54 558個單元，54 412個節(jié)點?；钊叫钅芷鞑捎脙煞N材料，中間圓筒采用鋼材料，兩端端蓋采用鈦合金。不考慮熱膨脹系數，直接進行強度分析時，在活塞式蓄能器內部施加均布壓力，載荷大小為活塞式蓄能器的工作壓力28 MPa。分析結果見圖1～3所示的應力云圖，即不考慮溫度場影響時，活塞式蓄能器的最大應力為558 MPa，此時端蓋應力558 MPa，圓筒應力426 MPa。

圖1 活塞式蓄能器的應力云圖 圖2 端蓋的應力云圖

圖3 圓筒的應力云圖

4 溫度場對活塞式蓄能器性能影響的分析

依據GJB150.6-86《軍用設備環(huán)境試驗方法：溫度-高度試驗》中規(guī)定，設備在地面高溫連續(xù)工作溫度范圍為“55～125 ℃”。文中考慮未來戰(zhàn)機適應范圍更廣泛，選取研究范圍20～500 ℃，采用有限元軟件，通過仿真分析研究溫度場對活塞式蓄能器性能的影響，共計算7種工況，如表2所列。

表2 不同溫度場計算工況

將軟件中分析類型(Analysis Type)設置為熱分析(Thermal)，此時進行不同溫度場計算工況的分析。依據兩種材料熱導率和熱膨脹系數的差異性，可以判斷，圓筒材料對溫度變化更加敏感。首先考慮將活塞式蓄能器放入常溫20 ℃環(huán)境中，保持一定的時間，使得結構各部位都達到20 ℃，此時參考溫度設置為20 ℃，對應工況1；考慮活塞式蓄能器從常溫環(huán)境20 ℃轉入高溫環(huán)境125 ℃中，考慮最嚴酷的情況：即當活塞式蓄能器中間圓筒位置溫度達到125 ℃時，活塞式蓄能器兩端端蓋位置溫度仍為20 ℃。此時，結構整體處于125 ℃高溫環(huán)境中，故參考溫度設置為125 ℃，此時對應工況2；若從常溫環(huán)境20 ℃分別轉入高溫環(huán)境200 ℃、500 ℃時，即分別對應工況3和4。考慮活塞式蓄能器從高溫環(huán)境125 ℃轉入常溫環(huán)境20 ℃中，考慮最嚴酷的情況：即當活塞式蓄能器中間圓筒位置，溫度達到20 ℃時，活塞式蓄能器兩端端蓋溫度仍為125 ℃。此時，結構整體處于20 ℃常溫環(huán)境中，故參考溫度設置為20 ℃，此時對應工況5，工況5的溫度場如圖4所示；若溫度分別從200 ℃、500 ℃降低到20 ℃，則分別對應工況6和7。

圖4 工況5的溫度場

5 結果分析與評價

將軟件中分析類型(Analysis Type)設置為結構分析(Structural)，此時進行不同溫度場工況下的強度分析，無內壓時計算結果如表3所示，含內壓(28 MPa)時計算結果如表4所列。

表3 無內壓計算結果

表4 含內壓計算結果

(1) 考慮熱導率和熱膨脹系數后，蓄能器所受最大應力大于無溫度場情況。由表3中工況1可知，當蓄能器各部位溫度均為20 ℃時，此時溫度場對結構作用力為0。比較表4中的無溫度場和工況1，可以得出，即使溫度場作用力為0，但在考慮材料熱導率和熱膨脹系數后，蓄能器所受最大應力明顯大于不考慮溫度場的情況。

(2) 無內壓時，溫度場對結構性能的影響與材料線膨脹系數有關。由圖5可以看出，當端蓋溫度保持在20 ℃時，隨著圓筒溫度在20～500℃范圍內變化，端蓋應力和圓筒應力均呈現升高趨勢。由圖6可以看出，當圓筒溫度保持在20 ℃時，隨著端蓋溫度在20～500 ℃范圍內變化，端蓋應力和圓筒應力均呈現升高趨勢。而圓筒溫度變化趨勢相比端蓋更加顯著，而且蓄能器的最大應力始終處于圓筒部位。這是因為，在20～500 ℃溫度范圍內，端蓋材料線膨脹系數均小于10，而圓筒材料線膨脹系數均大于11，尤其在500 ℃達到了13.9，所以使得圓筒對溫度場的變化更為敏感。尤其在500 ℃時，應力出現了顯著提升。

圖5 表3中工況1～4比較

圖6 表3中工況1，5～7比較

(3) 含內壓時，由表4可以看出，工況1～3和工況5～7,溫度場的改變對于蓄能器所受的最大應力幾乎沒有影響。對照表3中的相關工況，可以看出，此7種工況下，溫度場對蓄能器作用的應力均在126 MPa以下。在結構內部含有28 MPa內壓的情況下，該應力對結構最大應力影響很小，可以不用考慮。對于工況4，由于此時材料線膨脹系數提升較大，使得無內壓時，溫度場對蓄能器作用的最大應力達到309 MPa。對于含內壓情況，該溫度場的存在顯著提升了結構的最大應力。對于500 ℃的情況，需要結合實際使用工況，適度考慮溫度場的影響。

6 結 論

綜上所述，通過對不同溫度場工況進行強度仿真分析，比較不同工況下溫度場的改變對于活塞式蓄能器性能影響的規(guī)律曲線，可以得出下列結論。

(1) 在20～200 ℃范圍內，溫度場的改變對活塞式蓄能器的應力影響較小，在結構設計時，可以不用考慮。

(2) 在500 ℃時，考慮到材料的線膨脹系數提升較大，溫度場改變對蓄能器的最大應力起到了一定的提升作用，需要結合實際使用工況，適度考慮溫度場的影響。