航空发动机管路流固耦合固有频率计算与分析

本文使用ANSYS有限元软件对航空发动机管路的流固耦合振动进行分析研究。讨论了管内流体质量、压力、温度,管路形状、截面尺寸对管路流固耦合固有频率的影响。最后,考虑上述所有影响因素,对一实际发动机燃油管路进行计算．得到了其固有频率和振型。     

充液管路固有频率试验与计算分析

为验证用有限元法计算充液管路固有频率特性的有效性,实现充液管路振动特性仿真,分别采用有限元分析和试验测试手段,对充液管路固有频率进行了试验和计算分析。对自由状态的空管、填充滑油和填充燃油三种状况的管路应用锤击法进行了振动测量,同时用ANSYS有限元分析系统对这三种状况管路固有频率进行了计算。通过计算与试验,分析了不同管径、不同管材、流体压力和流速、温度等因素对固有频率的影响,特别是得到了充液管路对比空管的固有频率下降规律,构建了考虑充液等因素的航空发动机管路固有频率计算模型。      

航空发动机空间管路系统的流固耦合振动特性

为了分析航空发动机空间管路系统的振动特性,提出了一种采用自定义管单元建立输液管路流固耦合有限元模型的方法.模型中的自定义管单元考虑了管路的横向流固耦合振动、轴向振动和周向扭转振动.管路系统中的支承采用非线性弹簧单元模拟.通过将自定义管单元的仿真结果与试验测试数据和经典理论解进行比较,验证了自定义管单元的正确性.研究了实际空间管路系统振动固有频率和响应特性.研究表明:随着内压增大,固有频率和临界流速均减小.同时得出了非线性刚度系数和激励幅值对管路系统简谐激励下受迫响应的影响规律.      

简谐激励下柔性卡箍支承管路系统响应

针对柔性卡箍支承航空发动机管路系统振动问题,研究了柔性卡箍的刚度特性及其对管路系统响应特性的影响。建立了包含管路和柔性卡箍的管路系统流固耦合有限元模型,给出了系统时域响应的Newmark积分方法。采用解析推导和试验测试两种方法对柔性卡箍刚度特性进行了研究,研究结果表明:柔性卡箍的刚度具有明显的分段线性特性。通过对基础简谐激励作用下管路系统时域受迫响应分析,研究了柔性卡箍支承刚度对系统非线性行为的影响。发现柔性卡箍刚度的不对称性较大时,系统的幅频响应特性曲线出现明显的非线性突跳现象;在特定频率范围,响应中存在激励频率的亚谐和超谐分量;随着流体流速和压力的增加,系统固有频率减小。      

充液弯管固有频率试验与计算分析

针对航空发动机管路固有频率的影响,通过对2种材料、8种直径的L型发动机弯管在充入燃油、滑油等不同条件下进行了大量自由态固有频率试验,分析并得到了管路材料、直径、油液质量等参数对发动机充液弯管固有频率的影响规律.采用ANSYS软件管单元方法进行了相应的固有频率有限元计算.通过与试验结果对比分析,验证了用管单元计算方法替代大试验量的高效性和适用性,可为今后的发动机管路敷设工作提供一定的参考.     

两端铰支输流管道固有频率的研究

利用复模态分析方法和Galerkin方法研究了两端铰支输流管横向振动对其固有频率的影响.通过数值方法绘出系统的前两阶固有频率随流体速度的变化情况.利用数值算例分析了复模态分析方法、二阶Galerkin截断和四阶Galerkin截断方法对固有频率的影响.     

基于有限元法的输液管路稳定性可靠性研究

为分析航空发动机空间管路系统的稳定性可靠性问题,提出了一种采用有限元法和蒙特卡洛法相结合的分析方法。方法中采用有限元法建立空间管路系统流固耦合模型,定义了稳定性失稳的极限状态函数,采用蒙特卡洛法进行稳定性可靠度计算。典型工程算例的计算结果表明:给定流体流速的均值,发散失稳的概率随流体流速的变异系数可能增加或减小;给定流体流速的变异系数,随流体流速均值的增加,管路系统稳定性极限状态函数由服从连续概率密度函数变为服从混合概率密度函数。研究结果对于航空发动机输液管路的稳定性可靠性设计和评估具有参考价值。      

旋转衍生力在旋转受限层板中的分布规律

采用数值模拟的方法,研究了旋转衍生力在旋转受限层板中的分布规律.研究表明:由于冷却流体被加热,离心力随着旋转半径的增加而降低,近壁面处离心力较低,远离壁面区域离心力较高.y方向哥氏力在进出口区域影响较大,中间区域可以忽略.z方向哥氏力在进出口区域影响较大,中间段随转速和旋转半径的增加而缓慢增加.离心力衍生的浮升力在冲击区域附近加速流体流动,在其他区域的近壁面处,离心力衍生的浮升力阻碍流体流动,在远离壁面区域,离心力衍生的浮升力加速流体流动.在中间段,离心力和离心力衍生的浮升力起主导作用.      

卡箍-管路系统固有特性计算与试验方法

以航空发动机中的卡箍-管路系统为研究对象,基于自主设计的卡箍刚度试验测试装置,对直径为8 mm的卡箍的线刚度和角刚度进行了试验测试。根据实测卡箍刚度,采用线性弹簧对其进行离散化等效处理,并基于自编有限元法建立了卡箍-管路系统的动力学模型。通过试验与仿真所获得的固有频率及频响函数的对比,从而验证了卡箍刚度测定及有限元模型的合理性,并进一步研究了拧紧力矩对卡箍-管路系统固有频率的影响。结果表明:拧紧力矩的增加会导致管路的固有频率增大,且针对所研究的卡箍,当拧紧力矩大于8 N·m时,管路固有频率逐渐趋于稳定。      

复杂空间载流管道系统流固耦合动力学模型及其验证

 针对飞机复杂管路系统振动分析,提出了一种复杂空间管道系统流固耦合动力学模型,在模型中用梁单元对管道进行了离散,每个节点考虑了x、y、z这3个方向的平动以及绕x、y、z这3个方向的转动,共计6个自由度;在单元中考虑了流固耦合效应,计及了流体流速对管道振动的影响;建立了管道与基础、管道与管道间的弹性连接,以适应多个管道之间的耦合振动分析;模型采用Newmark-β数值积分法获取系统响应。针对实际液压试验台的空间管路系统,利用锤击法进行实验模态分析,将本文模型的仿真结果与实验结果和商用有限元软件ANSYS Workbench的计算结果进行了分析比较,验证了本文模型的正确性。最后,仿真计算了流固耦合作用下流速对管道系统固有频率的影响规律。     

输流管道的参数共振及系统参数对共振区域的影响

研究了两端铰运输一流管道在脉动内流作用下的参数共振问题，腹泻趺同分析方法导出了三种参数共振区域的边界曲线方程，并据此讨论了阻尼，平均流速，质量比，重力系数，预紧力，脉动流频率和振幅等系统各种参数对不稳定区域的影响。     

转动薄壁圆柱筒振动特性:有限元法与解析解的对比

采用解析法和有限元法,研究了科氏力和离心刚化效应对不同约束条件下转动薄壁圆柱筒结构振动特性的影响,并进行了对比分析.结果表明,与解析解相比,有限元法计算得到的静止状态薄壁圆柱筒结构固有频率因边界条件不同而存在不同的差异,其中两端简支边界条件下与解析解吻合较好.随转速增加,前后行波频率差值加大,曲线明显分离,而这种分离趋势随周向波数的增大而减小.由于离心刚化效应的存在,相比于只考虑科氏力的影响,转动薄壁圆柱筒的行波频率有增大的趋势,并且当转速和周向波数较大时,前后行波频率均会大于对应的静频率.      

旋转弯管内粘性流动特性的研究

基于工业上的应用,本文利用摄动方法求解了小曲率旋转变管内的粘性流动,系统地分析了主流速度、二次流动、流量和摩擦力在科氏力（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ ｆｏｒｃｅ）和离心力共同作用下特性的变化情况;表明由于旋转的效应,旋转弯管内的流动状况较弯管内的流动状况复杂;同时还发现当科和和离心力之比Ｆ≈－１．２２时,二次流强度最弱,此时该流动近似为非旋转直管内的流动（Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ流）。     

液体火箭发动机充液导管流固耦合动力学特性

为了深入研究流固耦合（FSI）作用对液体火箭发动机充液导管频率特性的影响,采用传递矩阵法(TMM)建立了空间导管流固耦合动力学计算模型.针对真实发动机导管开展了传递矩阵模型与传统基于附加质量的有限元(FEM)（非耦合）模型仿真计算以及模态试验验证,比较了管径、壁厚等结构参数对导管流固耦合作用的影响.结果表明:在流固耦合作用下,导管各阶谐振频率减小、而对应的流体振荡与结构振动幅值增大.管径对导管低阶频率特性的影响较壁厚对其影响更大.对于该算例,当管径大于设计值30%后,耦合作用引起的1阶频率误差高于10%,此时流固耦合不能忽略;而壁厚对1阶谐振频率的影响则小于8%.      

旋转槽道湍流的格子Boltzmann方法模拟

基于多松弛格子Boltzmann方法的大涡模拟对雷诺数为194,旋转数从0~5.0的旋转槽道湍流进行数值模拟.采用动态亚格子应力模型模化滤波后的不封闭项,修正二阶矩作用力模型计算压力梯度、哥氏力.对平均速度、均方根脉动速度、雷诺应力以及湍流结构进行了计算.结果显示哥氏力使流场平均速度呈现不对称性:在压力面,随着旋转数的增加,湍流度增强;而在吸力面湍流脉动减弱,具有层流化的趋势.将格子Boltzmann模型与直接数值模拟求解进行对比,结果验证了格子Boltzmann方法在旋转湍流模拟中的可行性.      

基于ANSYS二次开发的输液曲管振动特性分析

针对悬臂的边界条件,建立了在流体作用下输液曲管的振动方程及有限元分析模型,并研究了曲管的振动特性.通过对ANSYS进行UPF二次开发,自定义曲管单元进行特征值求解,得出了流体流速对曲管特征频率影响的规律,同时考察了输液曲管的稳定性,求出了输液曲管发生颤振失稳时的临界流速.计算实例表明自定义单元具有很好的精度.     

火箭推进系统充液管路的流固耦合动响应分析

针对大型运载火箭推进系统中的液氧供应管路,建立流固耦合作用的模型,开展了动响应分析研究.在二维平面管系中同时分析纵向和横向振动及其相互作用,并考虑泊松耦合和连接耦合的影响,对火箭贮箱出口的充液管段模型进行了计算.结果表明:相对于经典水锤理论,考虑纵向横向振动的充液管路的流固耦合动响应形式相对复杂,频率和幅值也有变化.该研究工作为下一步的管路试验和振动抑制研究提供了参考.