随机振动载荷作用下航空液压管路疲劳寿命数值预估

随机振动载荷作用下航空液压管路疲劳寿命数值预估权凌霄;赵文俊;于辉;孙冰江【摘要】液压管路作为飞机液压传动系统的重要组成部分,是飞机安全飞行的重要保障.由于飞机飞行环境的复杂性,随机振动载荷下的疲劳分析是飞机液压管路动力学设计的重要手段•选取大型客机C919左侧机翼的一段典型液压管路作为研究对象，应用ABAQUS有限元软件进行随机振动响应分析，获取随机振动载荷下的应力响应功率谱密度函数，对液压管路在随机振动载荷下的强度特性进行分析，结合S-N曲线对管路结构危险部位疲劳寿命进行预估,为航空液压管路的设计及优化提供了理论参考・％Asanimportantpartofaircrafthydraulicsystem,thehydraulicpipeisanimportantguaranteeforthesafeflightoftheaircraft.Duetothecomplexityoftheflightenvironment,thefatigueanalysisunderrandomvibrationloadingisanimportantmeansfortheaircrafthydraulicpipedynamicdesign.ThisstudyselectsatypicalhydraulicpipeofthedomesticlargepassengeraircraftC919leftwingastheresearchobject.ThefiniteelementsoftwareABAQUSisusedtoanalyzerandomvibrationresponse,andthestressresponsepowerspectraldensityfunctionunderrandomvibrationloadingisobtained,andthestrengthcharacteristicsofhydraulicpipeundertherandomvibrationloadisanalyzed.WeestimatethefatiguelifeofthedangerouspartsofthestructurebytheS-Ncurve.Thestudyprovidesatheoreticalreferenceforthedesignandoptimizationoftheaviationhydraulicpipeline.期刊名称】《液压与气动》年(卷),期】2017(000)006【总页数】6页(P43-48)【关键词】有限元分析;随机振动;功率谱密度;疲劳寿命;液压管路【作者】权凌霄;赵文俊;于辉;孙冰江【作者单位】燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室,河北秦皇岛066004;燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004;燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004;燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004;燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004【正文语种】中文【中图分类】TH137;V515.5;V215.7引言国务院公布的《中国制造2025重点领域技术路线图》制定了“民用航空设备领域发展路线”，其中提到，我国未来十年，干线和支线客机的配套机载设备和系统，产值规模将达到8000亿元［1］。目前，我国正在积极开展大型客机的自主设计研发，攻克机载设备及系统中的核心技术已迫在眉睫。飞机液压传动系统作为飞机的血管和肌肉，是飞机健壮体魄的标志，其国产化程度直接影响着我国大飞机项目的推进与发展。而飞机液压传动系统中的附件设备都是通过液压管路及管接头连接的，从而构成一个封闭、完整的系统回路［2］，系统中任何管路或管接头的失效都可能对飞行安全及乘客生命造成威胁。因此，对其进行深入研究具有重要意义。飞机液压传动系统管路的选材、设计及安装既要考虑静载荷的影响，同时也要满足动载荷下的安全要求。飞机设计标准要求液压管路本身所能承受的最大设计压力应远大于系统最大工作压力，其安全裕度系数为6~8倍［2］。因此，在静载荷作用下，液压管路本身的强度安全裕度比较大，而振动疲劳破坏是引起液压管路系统故障的一种主要形式。液压管路的振动主要源于机械振动和压力脉动的作用，而液压管路的振动规律主要取决于其所处的振动环境。当飞机在气流扰动、突风载荷、着陆撞击、滑行以及由于特殊机动等随机振动环境载荷作用下［3］，液压管路局部可能会形成永久性累积损伤，然后经过一定次数的载荷循环，疲劳裂纹萌生、扩展直至断裂，导致事故的发生，对飞机安全构成威胁。由于引起疲劳失效的循环载荷值往往小于静力估算的安全载荷［4］，因此，有必要对振动环境下的飞机液压管路进行随机振动疲劳分析。振动疲劳是结构动力学和材料疲劳强度相结合发展起来的一门研究学科。自19世纪30年代发现疲劳问题至今，一直有学者在关注振动疲劳问题，尤其在一系列飞机失事事故发生后，更是引起航空航天界的广泛关注［5-6］。多年来，国内外学者对振动疲劳展开了深入研究，且取得了丰硕成果。振动疲劳的概念首次出现在Crandall和Mark的《机械系统的随机振动》一书中［7］。此后，Sanliturk提出了一种基于频率响应函数的振动疲劳寿命估算方法，这种方法同时考虑了结构弹性、结构惯性以及阻尼因子对结构疲劳寿命的影响［8］。Bishop基于频域法进行随机振动疲劳分析，通过功率谱密度(PSD)函数估算疲劳损伤［9］。Hanna利用有限元法，在频域内对汽车环抱死刹车系统中的电子控制单元进行了振动疲劳寿命的分析［10］。与此同时，除了在频域内的疲劳分析不断成熟外，在时域内进行疲劳分析也取得了一系列研究成果。20世纪70年代，国内学者开始进行振动疲劳研究。根据我国航空领域新制定振动标准，姚起杭［11］阐明了结构振动疲劳的概念，同时建议将疲劳问题分为静态疲劳和动态疲劳两类。姚卫星及其团队对随机振动疲劳寿命分析方法做了大量的研究。王明珠和姚卫星［12］提出了一种结构随机振动疲劳估算的样本法，该方法首先将频域内激励信号通过抽样转换为时域内的激励信号，然后利用有限元法和变程法获得危险点的应力谱，并进行寿命估算。周敏亮［13］等归纳整理了几十年来国内外主要的振动疲劳分析方法，为机载设备及系统的设计与维护提供了理论和技术支持。以国产大型客机C919左侧机翼的一段典型液压管路为研究对象，基于有限元仿真技术，建立液压管路的动力学模型，通过控制激励输入、施加边界约束条件及合理定义结构参数等，在频域内计算局部危险部位的应力功率谱密度函数，结合线性累积损伤理论及材料S-N曲线估算了液压管路的疲劳寿命。1.1随机振动分析在随机振动载荷作用下，结构的应变或应力响应无法用确定的时间函数来描述，只能通过统计学方法进行描述。在频域内，可利用功率谱密度函数对随机振动进行描述，而功率谱密度函数是描述稳态各态历经过程的重要参数，它直接描述了在各频率分量上能量的分布。结构失效在危险部位的应力功率谱密度可以用式(1)确定：式中，A(f)为输入的加速度功率谱密度；H(f)为应力频率响应函数；f为频率。应力功率谱密度通常在频域内利用有限元分析得到，利用应力功率谱密度的统计学特性对结构的疲劳损伤进行估算。功率谱密度的n阶惯性矩定义为：由各阶惯性矩可得随机过程的零穿越期望值f0及峰值期望值nO。则随机载荷的不规则因子：随机过程的不规则性也可以用谱宽系数来描述，定义为：当£趋于0时，随机过程为一个理想的窄带过程，当£趋于1时，随机过程为一个理想的宽带过程。实际工程中，通常£小于0.35时，随机过程即归结为窄带过程。假设应力-时间历程X(t)为随机过程的一个典型样本，则随机载荷的峰值概率密度函数可表达为［14］：式中，。为标准偏差；erf为误差函数分别由式(8)、式(9)计算得到：当£趋于0时，由式(7)可求出窄带随机过程的概率密度函数。1.2Miner线性累积损伤计算根据Miner线性累积损伤理论，循环应力为连续变化时，结构的累积损伤度为：式中，ns为应力峰值为s时的实际循环数；Ns为应力峰值为s时的破坏循环数。当D=1时，即认为结构失效。由材料的S-N曲线拟合成幕函数方程：smN=c式中，N为应力幅值为s时发生破坏的循环次数；m和c为材料系数。结构发生破坏时的总循环次数为Nt，对于窄带随机振动则有：联立式(10)~式(13)得到窄带随机振动载荷作用下，结构失效时的时间寿命为：通过Wirsching-Light法，引入经验修正因子入进行修正，得到宽带随机振动载荷作用下，结构失效的时间寿命为［15］：a(m)=0.926-0.033m2.1三维模型如图1所示，其为CATIA软件绘制的C919左侧机翼一段典型导管的三维模型。模型包含液压导管、管接头及块卡三部分，其中压油导管为钛合金材料，通过不锈钢材料的管接头进行连接；回油导管为铝合金材料，通过铝合金材料的管接头进行连接。导管结构及材料参数见表1、表2。对含有油液的飞机液压导管进行随机振动分析时，需要考虑油液质量对导管固有频率及振动响应的影响，因此，使用等效质量法对飞机液压管路进行振动响应分析，即将流体的质量以附加质量的形式填充到管路内壁上，仅考虑流体质量对管路振动特性的影响［16］，利用式(18)可求出等效后的管路系统的质量。其中，飞机液压导管内流体选用10号航空液压油(YH-10)，其密度为：990kg/m3。式中，pt1为等效后的导管密度；Ro为导管外径；Ri为导管内径；pt为导管密度；pf为油液密度。计算后铝合金导管等效密度为：6400kg/m3，钛合金导管等效密度为：8500kg/m3。2.2模态分析模态分析是近代研究结构动力学特性的一种方法，通过模态分析可以掌握液压导管的动态特性，并为下一步随机响应分析做准备。在ABAQUS有限元软件中，设定液压导管单元类型为壳单元，管接头为三维实体单元；利用Tie约束等效模拟导管与管接头之间的压接式连接形式；采用MPCs约束模拟导管被约束位置与机体支架间的相互作用，并在MPCs的控制点与从结点之间设置阻尼单元，以此来简化块卡对分析的影响；创建频率响应分析步，计算得到前4阶固有频率见表3。2.3随机响应分析利用ABAQUS有限元软件在上述模态分析的基础上，进行随机响应分析。随机响应分析是通过线性或对数插值的方式来求解整个频域内各频率点上的响应，如果参数不恰当，则会造成共振频率点的泄漏或计算效率降低。因此，根据模态分析结果合理设置频率点及偏置参数来控制频率点的密度和分布。创建加速度PSD幅值，建立加速度基础运动边界条件对液压导管固定约束处进行激励。飞机机载设备振动功能试验量值如图2所示。图2中各曲线对应的机身部位如表4所示。对机翼液压导管的X、Y和Z三个方向分别加载功能随机振动载荷，并计算得到导管的最大应力均方根值。如图3、图4分别为导管随机激励下的应力均方根(RMS)响应图。根据疲劳寿命分析理论可知，材料失效发生在应力均方根值最大的临界单元处[17]此处材料的失效寿命即为机翼液压导管的疲劳寿命。从应力均方根响应云图中可以看出，在功能随机振动载荷作用下，钛合金导管的应力均方根值最大的临界单元位置在管接头根部导管上，铝合金导管的应力均方值根最大的临界单元位置在块卡约束根部导管上。由此，分别得到钛合金导管和铝合金导管在临界单元上的应力功率谱密度，如图5、图6所示。依据Miner线性损伤累积理论，利用数学软件MATLAB编写振动疲劳寿命计算程序。疲劳寿命估算技术流程框图如图7所示。以铝合金导管为例进行疲劳寿命计算。已知铝合金导管材料的S-N曲线，如图8所示。通过参数拟合得铝合金材料系数为c=1.143x1027,m=9.837。利用应力功率谱密度函数及MATLAB程序计算液压导管的疲劳寿命，计算结果见表5。可以看出，所选取的C919机型左侧机翼的一段典型液压导管在功能随机振动载荷下的疲劳寿命估算为7.121x1010h,远高于飞机液压导管60000h飞行寿命标准，所以导管寿命可视为无限，表明所选液压导管在上述功能振动载荷下的安全裕度较大，满足飞机飞行的安全要求。基于功率谱密度在频域上进行功能随机振动分析，利用有限元仿真法获得局部危险位置处的应力响应功率谱密度，并结合S-N曲线估算了液压导管的疲劳寿命，对工程实际中飞机液压传动系统导管的设计与分析具有一定的实践和参考价值；在随机振动载荷下，可能造成导管疲劳失效的临界单元多出现在固定约束的管接头或块卡附近的导管上；利用有限元软件进行随机振动分析，方法简单，容易实现，降低开发成本，缩短研制周期，提高设计方案的成功率，具有工程实用价值。相关文献】杜壮.C919大型客机总装下线安全与制造标准严格已与欧美看齐J].中国战略新兴产业,2015,(23):24-26.DUZhuang.C919LargePassengerAircraftisAssemblyOfflineandtheSecurityandManufacturingStandardsHaveBeenStrictlyonParwithEuropeandAmerica[J].ChinaStrategicEmergingIndustry,2015,(23):24-26.张乐迪，张显余•飞机液压管道动特性研究及疲劳寿命估算J].航空维修与工程,2015,(1):89-91.ZHANGLedi,ZHANGXianyu.StudyofAircraftHydraulicPipelineDynamicCharacteristicsandFatigueEstimation[J].AviationMaintenance&Engineering,2015,(1):89-91.王明珠，姚卫星•随机振动载荷下缺口件疲劳寿命分析的频域法[J].南京航空航天大学学报,2008,40(4):489-492.WANGMingzhu,YAOWeixing.FrequencyDomainMethodforFatigueLifeAnalysisonNotchedSpecimensUnderRandomVibrationLoading[J].JournalofNanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,2008,40(4):489-492.吴早凤，李森，闫明，等•基于频域法的耐久性振动疲劳分析[J].教练机,2016,(1):60-62.WUZaofeng,LISeng,YANMing,etal.AnalysisofDurableVibrationLifeBasedonFrequencyDomainMethod[J].Trainer,2016,(1):60-62.⑸顾晓华•车载设备随机振动疲劳寿命研究[D].南京：南京航空航天大学,2013.GUXiaohua.ResearchontheFatigueLifeoftheOn-boardEquipmentontheVehicleUnderRandomVibrationEnvironment[D].Nanjing:NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,2013.梅红杰•随机振动疲劳寿命估算方法的等效研究[D]•南京：南京航空航天大学,2014.MEIHongjie.ResearchonEquivalentMethodforEstimationofRandomVibrationFatigueLife[D].Nanjing:NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,2014.韩庆华，叶菲，徐杰•随机疲劳在土木工程中的研究综述[J].天津大学学报,2016,(49):143-151.HANQinghua,YEFei,XUJie.ReviewofRandomFatigueResearchinCivilEngineering[J].TianjinUniversity,2016,(49):143-151.刘文光，陈国平,贺红林，等•结构振动疲劳研究综述[J].工程设计学报,2012,19(1):1-8.LIUWenguang,CHENGuoping,HEHonglin,etal.ReviewofStudyingonVibrationFatigue[J].ChineseJournalofEngineeringDesign,2012,19(1):1-8.BISHOPNWM.VibrationFatigueAnalysisinFiniteElementEnvironment[C]//AnInvitedPaperPresentedtotheXVIEncuentroDelGrupoEspaoldeFractura,Torremolinos,Spain:1999,(1):14-16.HANNAZA.VibrationFatigueAssessmentFiniteElementAnalysisandTestCorrelation[D].MasterThesis:UniversityofWindsor,2005.姚起杭，姚军•工程结构的振动疲劳问题J].应用力学学报,2006,23⑴:12-15.YAOQihang,YAOJun.VibratonFatigueinEngineeringStructrues[J].ChineseJournalofAppliedMechanics,2006,23(1):12-15.[12]王明珠,姚卫星,孙伟.结构随机振动疲劳寿命估算的样本法.中国机械工程,2008,19(8):972-975.WANGMingzhu,YAOWeixing,SUNWei.SampleApproachforFatigueLifePredictionofStructuresUnderRandomVibration[J].ChinaMechanicalEngineering,2008,19(8):972-975.[13]周敏亮,陈忠明.飞机结构的随机振动疲劳分析方法.飞机设计,20