飞机液压能源系统振动特性研究
发布时间：2020-07-28 18:03
【摘要】：飞机液压系统是一个多余度、高功率密度的复杂综合系统,每套液压系统由液压能源系统及其负载系统组成,其中液压能源系统是飞机液压系统的动力核心,主要包括泵源系统、管路系统以及油箱增压系统等,而泵源系统和管路系统都会产生剧烈的机械和流体耦合振动。因此振动一直是飞机液压能源系统难以克服的问题,并且随着系统向高压大功率方向发展,振动问题越来越突出,相关研究已成为国际学术研究的前沿和热点。本论文针对飞机液压能源系统的振动特性进行系统性基础研究,不仅具有重要的学术研究价值,而且对提高国产大飞机液压系统性能具有重要工程应用前景。本课题开展中做出了以下创新性研究:(1)提出了一种三维空间管路轴向与横向流固耦合振动模型的时域计算方法。本论文首次尝试对管路振动模型中的时间偏导项进行差分近似将其转化为一阶非齐次线性微分方程,并对载荷项进行多项式近似以求得解析积分值,最后将解析积分值代入到传递矩阵中进行组集和求解。该方法仅对时域偏导进行差分近似,对长度偏导则采用解析方法求解,同时对整体模型采用传递矩阵进行组集,计算模型的维数不会随长度分段增加。常用的传统特征线法,首先需要同时对时域偏导和长度偏导进行差分近似,还需要保证时间步长与管长分段必须同时满足特征方程,这就使得管路系统求解中产生非常复杂的多特征线相交,导致计算误差增大和计算模型的方程组维数随长度分段增加。本论文提出的方法由于仅对时间偏导进行了差分近似,不但能解决传统特征线法造成的误差大的难题,而且避免了时间步长与管长分段必须同时满足特征方程的苛刻条件;该方法还由于采用传递矩阵形式而使计算模型维数不变,解决了特征线法导致的计算模型维数增大而加剧求解难度的问题。该方法不仅能在数值稳定条件下任意修改时间步长和管长分段,实现变步长的高效算法,而且其统一性和兼容性大幅简化了同时计算管路系统时域和频域特性的难度和复杂程度,非常适用于复杂管路系统。通过对比典型管路入口和中点的两组加速度试验值发现,该方法的计算误差分别为2.34%和1.56%,均小于基于传统方法的商用有限元软件的计算误差7.05%和4.02%,且并行计算耗时仅为商用有限元软件计算耗时的11.6%。(2)建立了包含软管、过滤器和蓄能器在内的复杂液压能源系统的时域与频域统一的数学模型,并分析了系统特性。本论文首次采用时域离散的传递矩阵方法对液压能源系统中的软管、硬管、过滤器、蓄能器和负载阀等元件进行建模,并将元件模型通过点传递结构组集成完整系统模型,同时求解分析了系统模型的时域和频域结果。该系统模型完整包含了液压能源系统中的关键元件,并在模型组集和求解过程中统一了时域与频域的步骤与形式。现有管路系统振动特性模型,只对无附件管路结构或者长软管进行建模,且时域与频域分析都是相互独立的,难以适用于复杂系统分析。本论文建立的模型不仅适用于无附件管路结构或者长软管等一般管路系统,还可以用于管路和元件的组合系统,避免了复杂液压能源系统的时域与频域分别独立建模和求解的复杂过程,在复杂系统建模分析中可以得到更广泛的应用。仿真结果表明系统流体动态中66 Hz、256 Hz、786 Hz和414Hz四个谐振点也是管路结构的受迫振动谐振点,分别对应过滤器特征频率、过滤器前端管路基频及其3倍频和蓄能器前端管路子系统特征频率;过滤器起隔离作用,衰减高频脉动而产生低频波动,而蓄能器能吸收此部分低频波动,两者共同作用使系统出口保持较小的压力和流速波动;当处于22 Hz的蓄能器特征频率时,管路系统中的全部流量波动几乎全部被蓄能器实时吸收,表现为出口无脉动输出。(3)建立了高转速柱塞泵斜盘变量机构高频振动的精细数学模型。本论文将斜盘变量机构中的许多被忽略的阻尼容腔、细长流道和负载模块等同时考虑以建立精细数学模型,并系统分析了可变结构参数对斜盘变量机构高频振动特性的影响,获得了所有结构参数对斜盘高频振动的局部灵敏度。该模型由于其各结构建模更完整使其计算精度更高,而所有结构参数的灵敏度分析则使斜盘高频振动特性分析更全面,且易于获得衰减斜盘振动的优化措施。现有柱塞泵斜盘振动特性研究模型一般比较简单,只通过排油柱塞和变量柱塞力矩分析斜盘受到高频激励力矩的影响,或只研究其低频响应特性,没有考虑内部细长流道等结构的影响,没有衰减斜盘高频振动的具体措施。本论文建立的精细模型弥补了以往模型简单和分析不全面的缺陷,解决了现有简单模型只能用于低频动态响应分析而难以精确分析高频振动特性的问题,提出了衰减斜盘高频振动的具体优化措施。仿真结果表明适当增大柱塞泵出口容腔体积、变量控制阀阀芯弹簧刚度、变量柱塞作用面积和变量柱塞力臂长度,或适当减小变量控制阀阀芯直径和变量柱塞腔体积等优化措施,都可以大幅衰减斜盘振动幅值,其中变量控制阀阀芯直径、柱塞泵出口容腔体积和变量控制阀阀芯弹簧刚度的优化效果最好,相应的斜盘振动衰减幅度与参数变化幅度的比值分别达到215%、155%和130%。本论文主要研究内容如下:第一章,绪论。概述了飞机液压能源系统的组成及应用,阐述了飞机液压能源系统机械振动和流体脉动相关的国内外研究进展,分析了课题的研究背景及研究意义,并介绍了主要研究内容和研究难点。第二章,高转速柱塞泵振动特性分析。分别建立了基于强流固耦合的复杂柱塞泵动力学模型和包含柱塞泵内部各类大小容腔流阻、长细管道和负载模块等结构参数的柱塞泵斜盘振动模型并通过试验验证。通过仿真计算研究了高转速飞机柱塞泵典型流体脉动特性,进一步从时域角度分析了斜盘变量机构振动与流体脉动的传递关系,最后研究了主传递路径中斜盘变量机构各参数对斜盘振动的影响,通过参数灵敏度分析探究了减轻斜盘振动的技术途径。第三章,飞机液压能源管路系统元件振动建模。综合考虑Bourdon耦合、摩阻、离心力和科氏力等的影响,建立了直管和弯管单元14方程复杂流固耦合模型。基于Kelvin-Voigt粘弹性模型,建立了软管流固耦合模型。基于典型液压附件结构特点,建立了过滤器和蓄能器的模型。第四章,飞机液压能源管路系统振动模型计算。首先建立了用于管路系统模型组集的复杂边界条件和典型管路结构模型,包括各类型支撑约束、分支结构和空间旋转等。然后分别推导了基于离散时间传递矩阵模型的时域计算方法和基于拉氏变换传递矩阵模型的频域计算方法。最后设计了简单弯管系统的冲击试验,建立了ANSYS流固耦合仿真工程,验证了模型的准确性。第五章,飞机液压能源系统振动特性分析。本章首先从元件级计算了液压能源系统中复杂粘弹性软管、过滤器和蓄能器的动态响应,分析了这些元件的结构参数对自身动态特性的影响。进一步,建立了复杂的平面管路系统和空间管路系统模型,验证了模型准确性,研究了卡箍支撑刚度和位置等关键参数对系统特性的影响。最后,建立了典型液压能源系统模型,研究了液压能源系统中流体和结构的时域和频域特性,探究了液压能源系统中软管、过滤器和蓄能器等元件和管路布局结构对液压能源系统特性的影响。第六章,总结与展望。对本文的研究工作进行了概述,给出了研究结果和主要结论,指出了本文的创新点,并展望了进一步的研究方向和内容。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V245.1;TH137
【图文】：
１．１概述逡逑现代飞机液压系统是一个多余度、高功率密度的复杂综合系统，k翁滓貉瓜低秤慑义弦貉鼓茉聪低臣捌涓涸叵低匙槌桑荩缤迹保彼荆郏玻荨Ｆ渲幸貉鼓茉聪低呈欠苫貉瓜靛义贤车亩诵模苫貉鼓茉聪低持饕ㄓ拖洹⒈迷础⒂吐恕⑿钅芷鳌⒗淙雌骱凸苠义下废低车取７苫貉鼓茉聪低持饕饔檬俏貉瓜低秤没峁┠芰浚ㄆ鹇浼苁辗牛义辖笠硎辗拧⒓跛侔迨辗牛彰攀辗牛恫僮荨⒏ㄖ挪僮荨⒎⒍才缈诘麇义辖凇⑷加捅猛隙⑸渤挡僮荨⑶奥肿洳僮荨⒅鞑僮菝娌僮荨⑶霸到笠聿僮荨⒈浜舐渝义匣共僮菁拔捕娌僮莸龋婕暗蕉刂啤⒎尚胁僮莺推鸱勺怕降龋保常荨Ｗ魑苫珏义舷低车闹匾槌刹糠郑苫貉鼓茉聪低扯苑苫姆尚邪踩鹱殴丶淖饔谩ｅ义希澹铃澹桑肽茉聪低诚颍у澹桑氩糠皱危掊巍㈠义隙腻澹慑五五义稀卞纬慑五危哄义希稳砉堋㈠危竽芷麇危″义希″澹浚剑蓿怠稿义稀ⅰ⒎ⅲ椿遰2广〈／逦麟逡逑、逦＜邋Ｌ？暴逡逑ｆ逦－逡逑X棧桑擞腕劐五义贤迹保蹦承头苫貉瓜低冲义戏苫貉鼓茉聪低持械母哐共糠终穸罹缌遥灾梦鞯囊貉贡迷丛诟咚傩义献硕屯次庞凸袒岵叩难沽β龆突嫡穸哐沽β龆涑鲇质瑰义弦貉鼓茉摧崖废低衬诹魈搴凸烫骞苈凡科日穸
本文编号：2773254
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V245.1;TH137
【图文】：
１．１概述逡逑现代飞机液压系统是一个多余度、高功率密度的复杂综合系统，k翁滓貉瓜低秤慑义弦貉鼓茉聪低臣捌涓涸叵低匙槌桑荩缤迹保彼荆郏玻荨Ｆ渲幸貉鼓茉聪低呈欠苫貉瓜靛义贤车亩诵模苫貉鼓茉聪低持饕ㄓ拖洹⒈迷础⒂吐恕⑿钅芷鳌⒗淙雌骱凸苠义下废低车取７苫貉鼓茉聪低持饕饔檬俏貉瓜低秤没峁┠芰浚ㄆ鹇浼苁辗牛义辖笠硎辗拧⒓跛侔迨辗牛彰攀辗牛恫僮荨⒏ㄖ挪僮荨⒎⒍才缈诘麇义辖凇⑷加捅猛隙⑸渤挡僮荨⑶奥肿洳僮荨⒅鞑僮菝娌僮荨⑶霸到笠聿僮荨⒈浜舐渝义匣共僮菁拔捕娌僮莸龋婕暗蕉刂啤⒎尚胁僮莺推鸱勺怕降龋保常荨Ｗ魑苫珏义舷低车闹匾槌刹糠郑苫貉鼓茉聪低扯苑苫姆尚邪踩鹱殴丶淖饔谩ｅ义希澹铃澹桑肽茉聪低诚颍у澹桑氩糠皱危掊巍㈠义隙腻澹慑五五义稀卞纬慑五危哄义希稳砉堋㈠危竽芷麇危″义希″澹浚剑蓿怠稿义稀ⅰ⒎ⅲ椿遰2广〈／逦麟逡逑、逦＜邋Ｌ？暴逡逑ｆ逦－逡逑X棧桑擞腕劐五义贤迹保蹦承头苫貉瓜低冲义戏苫貉鼓茉聪低持械母哐共糠终穸罹缌遥灾梦鞯囊貉贡迷丛诟咚傩义献硕屯次庞凸袒岵叩难沽β龆突嫡穸哐沽β龆涑鲇质瑰义弦貉鼓茉摧崖废低衬诹魈搴凸烫骞苈凡科日穸
本文编号：2773254
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