【畢業(yè)學(xué)位論文】(Word原稿)管路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析-民航交通運(yùn)輸

編號 南京航空航天大學(xué) 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 題 目 管路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析 學(xué)生姓名 葉強(qiáng) 學(xué) 號 070630225 學(xué) 院 民航學(xué)院 專 業(yè) 交通運(yùn)輸 班 級 0706302 指導(dǎo)教師 陳果 教授 二 一 年六月 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 誠信承諾書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（題 目： 管路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析 ）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。盡本人所知，除了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 作者簽名： 年 月 日 （學(xué)號）： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 i 管路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析 摘 要 本文針對某型飛機(jī)液壓管系由于液壓脈動引起管路破裂等問題，建立了輸油 管路 系統(tǒng)的地面模擬實(shí)驗(yàn)，采用錘擊測振法測試 管路 系統(tǒng)的模態(tài)和自振頻率。采用實(shí)驗(yàn)方法對兩端進(jìn)行彈性固定的管路的振動特性進(jìn)行了深入的研究。管路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的目的是通過利用現(xiàn)有 的實(shí)驗(yàn)條件，搭建管路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺，對管路系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，求出管路的固有頻率和振型。然后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬分析：通過 建模，導(dǎo)入 在 管路 實(shí)驗(yàn)中首先對 管路 的各種參數(shù)進(jìn)行了解分析，比如：彈性模量，密度，各種尺寸等進(jìn)行測量計(jì)算。根據(jù)數(shù)據(jù)得到的參數(shù)共振響應(yīng)特性與數(shù)值模擬進(jìn)行對比，結(jié)果吻合很好。最終的計(jì)算結(jié)果可為航空發(fā)動機(jī)輸油 管路 的振動控制提供非常重要的參考依據(jù)。 關(guān)鍵詞 ： 管路 系統(tǒng)，航空發(fā)動機(jī)，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài) 分析，錘擊法， ， 有頻率，振型 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 n an is to by as of a of at of of a he of of of In we of of of to a , 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 錄 摘 要 . i . 一章 緒論 . 1 空發(fā)動機(jī)管路系統(tǒng)振動研究的重要性 . 1 空發(fā)動機(jī)所存在的管路系統(tǒng)振動 . 1 路系統(tǒng)振動的各種因素 . 1 路系統(tǒng)振動的危害性，重要性 . 3 前國內(nèi)外衡量管路系統(tǒng)振動的標(biāo)準(zhǔn) . 4 路振動的研究現(xiàn)狀 . 5 路振動國內(nèi)研究現(xiàn)狀 . 5 路振動國外研究現(xiàn)狀 . 6 文研究的主要內(nèi)容 . 7 第二章 管路系統(tǒng)模態(tài)分析方法 . 9 態(tài)分析的目的意義 . 9 擊法的基本原理 . 9 路 系統(tǒng)試驗(yàn)臺的建立 . 11 驗(yàn)儀器 . 11 試系統(tǒng) . 14 驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果 . 16 結(jié) . 17 第三章 管路系統(tǒng)有限元計(jì)算模型 . 18 于 的 3D 建模 . 18 入 件 . 19 立有限元分析 . 20 述 . 20 端彈性固定簡單直管的梁模型模擬 . 21 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 兩端彈性固定簡單直管的殼模型模擬 . 22 端彈性固定簡單直管的管模型模擬 . 23 比分析 . 25 用不同單元計(jì)算出來的頻率及振型分析 . 25 算模態(tài)與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)的結(jié)果對比 . 26 第四章 原理結(jié)論 . 28 第五章 全文總結(jié)和展望 . 29 文總結(jié) . 29 望 . 29 參考文獻(xiàn) . 31 致 謝 . 32 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 1 第一章 緒論 空發(fā)動機(jī)管路系統(tǒng)振動研究的重要性 空發(fā)動機(jī)所存在的管路系統(tǒng)振動 航空發(fā)動機(jī) 管路，主要用于燃油、滑油和空氣等介質(zhì)的輸送，是發(fā)動機(jī)附件系統(tǒng)的重要組成部分 。 發(fā)動機(jī)管路的振動，依照其激勵的性質(zhì)，可以分為強(qiáng)迫振動和自激振動兩種類型 。 管路的強(qiáng)迫振動，是指管路在外界或內(nèi)部的周期性（或隨機(jī)性）機(jī)械載荷、流體載荷作用下產(chǎn)生的振動 。 管路的自激振動，是指管路內(nèi)部介質(zhì)運(yùn)動與管路運(yùn)動相耦合形成振蕩激勵所產(chǎn)生的振動，通常稱之為管路的流動失穩(wěn) 。 發(fā)動機(jī)管路的振動，依照其系統(tǒng)構(gòu)成形式，也可分為單管振動和管系振動兩種類型 。 單管振動指的是由一個 管路 或幾根串聯(lián)的 管路 構(gòu)成的獨(dú)立系統(tǒng)的振動，其振動模態(tài)相 對簡單；管系振動則指兩個以上的 管路 經(jīng)三通管接嘴或卡箍相互連接在一起而構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)的振動，其振動模態(tài)相對要復(fù)雜一些 。 路系統(tǒng)振動的各種因素 （ l）轉(zhuǎn)子不平衡力 由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子不可避免地存在不同程度的不平衡，當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生周期性的不平衡力 。 轉(zhuǎn)子不平衡力的大小取決于轉(zhuǎn)子不平衡量的大小和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的高低 。 轉(zhuǎn)子不平衡力的激勵頻率： 60/（ 1 式中： n 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速， r 當(dāng)發(fā)動機(jī)為雙轉(zhuǎn)子或三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時，管路將同時受到兩個或三個不同頻率的轉(zhuǎn)子不平衡力的激勵，每個轉(zhuǎn)子不平衡力的頻率由各自的轉(zhuǎn)速確定 。 （ 2）流體脈動壓力 輸送流體（燃油、滑油）的管路，由于供油泵（齒輪泵、柱塞泵等）的作用，會使管內(nèi)流體的壓力產(chǎn)生周期性變化 。 這種流體的壓力脈動在管路的彎曲處和變管徑處，將產(chǎn)生作用 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 2 在管路上的周期性激振力，流體脈動壓力的激振頻率為 60/ （ 1 式中： k 泵的齒數(shù)或柱塞數(shù)； n 泵的轉(zhuǎn)速， r/ （ 3）卡門渦街 處于發(fā)動機(jī)內(nèi)流通道中的管路，通常會受到卡門渦街的作用而產(chǎn)生振動，如圖 1 l 所示 。 管路放置在一個均勻流場中，當(dāng)流體通過管路 圓柱形障礙物時，在管路后面的尾流將不再是均勻的，而呈現(xiàn)出離散的渦狀流動，即卡門渦街 。 旋渦交替地為順時針方向和反時針方向并伴隨一個交變地作用在管路上的橫向激振力（卡門力），當(dāng)卡門渦街 的脫落頻率等于管路的固有頻率時，將引起管路的共振 。 卡門渦街的脫落頻率由下式確定： （ 1 式中： m S； D 管路直徑， m； S 脫羅哈）數(shù) 。 對于低馬赫數(shù)（亞聲速）的流動狀態(tài)， 與結(jié)構(gòu)的幾何形狀和雷諾數(shù) 圖 1門渦街 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 3 對于單個圓柱體而言， 105 時， S 可取為 （ 4）振蕩燃燒 燃燒室、加力燃燒室在富油和貧油時，會出現(xiàn)振蕩燃燒，產(chǎn)生軸向、橫向的振蕩，其頻率可達(dá)幾百赫茲，當(dāng)燃燒的振蕩頻率等于外部管路的固有頻率時，將引起管路的共振 。 （ 5）流動失穩(wěn) 由于流體速度的耦合作用，輸送流體管路的固有頻率將隨著流動速度的增加而減小 。 當(dāng)流速增大到一定程度時，管路的固有頻率為零，系統(tǒng)出現(xiàn)發(fā)散 失穩(wěn) 。 路系統(tǒng)振動的危害性，重要性 根據(jù)美國空軍各業(yè)務(wù)公司的統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)元件故障總數(shù)中，燃油、氣壓和液壓方面的故障占 5060%16滑油、液壓的氣體的故障也占 50%以上 。另外，據(jù)文獻(xiàn) 16記載，在 1965966 年兩年中，某些殲擊機(jī)由于 管路 及管接頭故障而失事的次數(shù)占失事總數(shù)的 60%。在國內(nèi)，在新機(jī)研制過程中， 管路 斷裂及管接頭漏油故障十分頻繁。1980 年 6 月某型新機(jī)試飛，在進(jìn)行地面準(zhǔn)備試車時，不到 20 分鐘，發(fā)動機(jī)突然起火，燒毀了整架飛機(jī) ，在 定轉(zhuǎn)速，液壓油 管路 自振頻率與泵的壓力脈動頻率合拍， 發(fā)生共振斷 裂，液壓油噴射到發(fā)動機(jī)熱端部件著火而起該事故 5。另據(jù)有關(guān)部門介紹，在我國正在使用的現(xiàn)役飛機(jī) (含發(fā)動機(jī) )， 管路 失效的故障率也占總故障率的 52%。由此可見，航空 管路 的結(jié)構(gòu)完整性是整個飛機(jī)、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性和可靠性的重要組成部分。在國外，早已引起從事航空科研的專家、教授和有關(guān)部門的充分重視。他們在各種規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)完整性大綱、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中都明確對 管路 提出了各種設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和考核的要求。這些要求保證了從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和維修等方面實(shí)行全面質(zhì) 量控制，達(dá)到了高可靠性、耐久性、可維修性和經(jīng)濟(jì)性的目的 管路 的結(jié)構(gòu)完整性問題尚未得到足夠重視。主要原因有三 :一是錯誤認(rèn)為 管路 為“非關(guān)鍵件”，沒有認(rèn)識到關(guān)鍵件與非關(guān)鍵件的關(guān)系是可以相互轉(zhuǎn)化的 ;二是 管路 系統(tǒng)是一個復(fù)雜工程問題，解決起來很困難，但學(xué)術(shù)價值又“不高”。而實(shí)際上，航空發(fā)動機(jī) 管路 系統(tǒng)具有復(fù)雜的非線性系統(tǒng)振動問題，流固禍合問題，流體鏈結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性、系統(tǒng)穩(wěn)定性和消振問題，壓爆問題，復(fù)雜疲勞和斷裂問題 ;三是沒有足夠的經(jīng)費(fèi)支持，準(zhǔn)以開展深人的研究和試驗(yàn) 今為止，我國尚無一套完整的 管路 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和 設(shè)計(jì)方法可遵循。這樣的落后面貌不適應(yīng)我國航空事業(yè)的發(fā)展和振興，應(yīng)當(dāng)迅速改變 . 航空發(fā)動機(jī) 管路 的結(jié)構(gòu)完整性是整個發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性的重要組成部分。經(jīng)驗(yàn)證明，在 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 4 新機(jī)研制期間 管路 故障頻繁出現(xiàn)。在飛機(jī)制造或修理后的前 5060 飛行小時中還會發(fā)現(xiàn)70%80%的 管路 故障 16。制訂 管路 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是其結(jié)構(gòu)完整性、耐久性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的重要保證。 從上可以看出研究管路系統(tǒng)的振動是非常重要的，管路的振動對航空器的危害是尤甚的。 前國內(nèi)外衡量管路系統(tǒng)振動的標(biāo)準(zhǔn) 在美國和英國，這些軍標(biāo)、規(guī)范、大綱、標(biāo)準(zhǔn)都明 確地對 管路 提出了結(jié)構(gòu)完整性、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、試驗(yàn)驗(yàn)證、使用維護(hù)、可靠性等方面的基本要求 。 例如，美軍標(biāo) D 1783 發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整大綱指出 ：管路 必須滿足其標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)完整性要求，應(yīng)制訂和完成靜態(tài)機(jī)械阻抗試驗(yàn)計(jì)劃和試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行外部部件的共振試驗(yàn)，對發(fā)動機(jī)外部調(diào)節(jié)器和管路，應(yīng)在飛行和地面包線范圍內(nèi)的所有轉(zhuǎn)速和推力狀態(tài) (包括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài) )沒有破壞性振動 。 美軍標(biāo) 應(yīng)在發(fā)動機(jī)上進(jìn)行振動和應(yīng)力試驗(yàn) 。 外部的部件，如燃油調(diào)節(jié)裝置、燃油泵、閥和管路等，應(yīng)在適當(dāng)部位安裝以試車前有 關(guān)文件中規(guī)定的加速度計(jì)振動設(shè)備，在發(fā)動機(jī)各種狀態(tài)進(jìn)行振動和應(yīng)力側(cè)量 。 在試驗(yàn)中對每個安裝在發(fā)動機(jī)上和外部附件上的加速度計(jì)應(yīng)取得全部的真均方根值和加速度圖譜 。 如使用部門認(rèn)為，振動應(yīng)力和載荷側(cè)量值在允許的設(shè)計(jì)限制內(nèi)，則認(rèn)為該試驗(yàn)滿意地完成了 。 此外，美軍標(biāo)E 5007D 還明確規(guī)定 ： 所有外部可燃液體的管路、接頭和部件應(yīng)是耐火的 (1090 )?；拖到y(tǒng)和液壓系統(tǒng)應(yīng)是防火的 (在 1090 15 管路及部件應(yīng)能在整個發(fā)動機(jī)工作范圍內(nèi)遇到的最惡劣的液壓參數(shù) (即最低流量、最高壓力和溫度 )正常送油 。 同時，燃油系統(tǒng) ； 發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng) ， 發(fā)動機(jī)的液壓與氣動系統(tǒng) ； “ 0”型密封圈和襯墊等節(jié)中都還有許多明確的規(guī)定和要求 。 英國國防標(biāo)準(zhǔn) 71飛機(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)通用規(guī)范中 19； 有類似于美軍標(biāo) 有關(guān)章節(jié)對 管路 的要求 。值得提出的是直接指出了 管路 支承的要求 。 它指出 ： “應(yīng)根據(jù)振、溫度變化和 管路 及其支承點(diǎn)之間的不同膨脹量的影響，用卡箍對 管路 進(jìn)行牢固的支承，并在 管路 與發(fā)動機(jī)其它零件間保持足夠的間隙” 。 這在其它規(guī)范、標(biāo) 準(zhǔn)、大綱中還未見過 。 除了國防標(biāo)準(zhǔn) 00外，英國還有 R R 公司應(yīng)力部門自“強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求”有關(guān)章節(jié)匯編而成的 力標(biāo)準(zhǔn) 。 它在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的 油、滑油和空氣系統(tǒng)中提出了更為具體的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)要求 。 此外還在基本的應(yīng)力數(shù)據(jù)的 對輔助設(shè)備和附件 (包含連接件管路系統(tǒng) )提出了必須能承受發(fā)動機(jī)工作環(huán)境振動載荷的具體條件 。 俄羅斯的規(guī)范等尚未見到 。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 5 從這些基本要求中可以看出 管路 有著明確的結(jié)構(gòu)完整性、安全性、可靠性和可維護(hù)性要求，也有著明確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)方法和驗(yàn)收考核標(biāo)準(zhǔn) 。 此外，也可領(lǐng)悟到各國都有自己 的強(qiáng)度規(guī)范和不同的經(jīng)驗(yàn)，因此，在 管路 的基本要求上也有所不同 。 我國應(yīng)當(dāng)吸收國外已有的經(jīng)驗(yàn)和要求，結(jié) 合我國新、老機(jī)種研制、生產(chǎn)、使用、維修的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，制訂自己的管 路 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和強(qiáng)度規(guī)范 。 路振動的研究現(xiàn)狀 管路 振動研究已有上百年的歷史，從 19 世紀(jì)僅考慮剛性直管內(nèi)不可壓縮流體的非藕合線性運(yùn)動到現(xiàn)在的彈性管內(nèi)考慮流固禍合的非線性運(yùn)動， 管路 研究取得了很多進(jìn)展，特別是在本世紀(jì)六十年代以后，由于核電站安全性要求的不斷提高，美、英、德、荷蘭等國的學(xué)者對管路 系統(tǒng)的振動研究做出了巨大的貢獻(xiàn) 。 管路 振動研究的內(nèi)容 也是非常廣泛的，大體上涉及到以下方面 ：管路 系統(tǒng)建模 ；管路 振動特性和聲振傳遞特性分析 ； 管系中不同組件如彎管、閥、支承等對管系的影響 ； 邊界約束條件影響 ； 以及對 管路 系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究等 。 作為更深入的問題，還包含 管路 振動的非線性、由管內(nèi)流體的影響而存在的流固禍合現(xiàn)象等 。管路 振動研究所采用的方法有計(jì)算法和實(shí)驗(yàn)法，其中計(jì)算法包括有 ： 傳遞矩陣法、模態(tài)綜合法、行波法、特征線一 有限元法、特征線法和有限元法等 。 下面對國內(nèi)外 管路 振動研究的成果進(jìn)行概括性介紹 。 路振動國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國在 20 世紀(jì) 70 年代中期開始進(jìn)行 管路 振動問題的研究，包括對 管路 機(jī)械振動的動態(tài)特性及其影響因素和流固耦合振動機(jī)理的研究等，目前已取得一些重要研究成果 。 東南大學(xué)的潭平，孫燁等 14，采用有限元方法，對各種 管路 計(jì)算其固有頻率，振型 。 把有限元方法運(yùn)用到管系水擊問題上，對研究的管系進(jìn)行了有限元建模，把水擊基本方程得出的水擊力作為加載力，計(jì)算出了水擊激發(fā)的 管路 位移、轉(zhuǎn)角響應(yīng)幅值和管系模態(tài)系數(shù)，說明水擊對管系的動力特性有重要影響，在 管路 設(shè)計(jì)時必須加以考慮，并提出了消除水擊影響的措施 。 華北電力大學(xué)的王強(qiáng)和華北電力科學(xué)研究院的陳鋒 15，針對某電廠 給水 管路 的振動問題進(jìn)行理論分析，通過現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證理論分析的正確性，從中找出了誘發(fā)該 管路 諧振的原因 ，并進(jìn)一步分析了機(jī)組滑參數(shù)運(yùn)行方式下 ， 給水 管路 振動的可能性，并提出相應(yīng)消振措施 。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 6 浙江大學(xué)盛敬超用模態(tài)分析方法分析了流體傳輸 管路 內(nèi)的振動流，并討論了 管路 的負(fù)載阻抗和機(jī)械振動對 管路 內(nèi)振動流的影響 。 上海交通大學(xué)張智勇等利用傳遞矩陣法對充液管系做了模態(tài)分析，考慮了固液之間的泊松禍合與連接禍合，推導(dǎo)了低頻情況下的充液直管周向、橫向振動傳遞矩陣與彎管單元的傳遞矩陣，并使用 限元分析軟件分析與用傳遞矩陣法計(jì)算的結(jié)果 進(jìn)行了對比 。 天津大學(xué)閏祥安等用有限元法建立了往復(fù)泵輸液管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動分析模型，求得了固有頻率和振型分布，給出了具有工程實(shí)用價值的 管路 減振、消振的設(shè)計(jì)原則 。 焦宗夏等進(jìn)行了流固禍合振動的模態(tài)分析，導(dǎo)出了流體流量、壓力與 管路 的應(yīng)力及位移之間的網(wǎng)絡(luò)模型，首次考慮了頻率相關(guān)摩擦項(xiàng)的影響，提高了仿真精度 。 清華大學(xué)戴大農(nóng)從位移一速度勢型有限元方程出發(fā)，建立了流固禍合系統(tǒng)的模態(tài)分析理論，獲得了系統(tǒng)對外界激勵的響應(yīng)的封閉解，給出了兩個具體問題的解 。 梁波、唐家祥用有限元法進(jìn)行了輸液 管路 動力特性和動力穩(wěn)定性的分析，并提供了算例 進(jìn)行比較 。 王茹用有限元方法研究流體管路 在空間內(nèi)振動，流體流速與壓強(qiáng)對固有頻率的影響，給出了運(yùn)動方程及解法，并通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證 。 陳正翔研究了工程中常見的支承在多個彈性支座上的輸液管系，用 理和有限元法建立了 管路 系統(tǒng)的運(yùn)動微分方程，結(jié)果表明用較少的管梁單元可劃分獲得足夠的精度，并考察了管系的失穩(wěn)狀態(tài) 。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王世忠根據(jù) 理推導(dǎo)了 管路固液禍合振動方程，得到了反對稱的固液禍合阻尼矩陣和對稱的固液禍合剛度矩陣，用 路 固有頻率 。 唐春麗對充液 管路 做了模態(tài)試驗(yàn)分析，對 管路 模型在空管、充不同種類及不同量液體的多種情況下進(jìn)行了測量，分析比較了各種情況下 管路 模態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律 。 上面對國內(nèi) 管路 系統(tǒng)振動的研究進(jìn)行了介紹，并側(cè)重介紹了 管路 振動特性的計(jì)算的研究情況 。 以上大部分研究工作基本上是專題性研究，在解決實(shí)際工程問題時，可以借鑒他們的研究成果，在工程應(yīng)用時應(yīng)結(jié)合實(shí)際，并綜合考慮各方面因素的影響 。 路振動國外研究現(xiàn)狀 早在 20 世紀(jì) 50 年代 ， 美國就開始對 管路 振動問題進(jìn)行研究 。 20 世紀(jì) 70 年代初 ， 蘇聯(lián)的 A維將金在 管路 振動問題研究上取得突破性進(jìn)展，接著由日本的一些學(xué)者繼續(xù) 完善，使管路 振動問題的研究進(jìn)入實(shí)用階段 13。 自從 1885 年 首次觀察到流體引起的 管路 振動現(xiàn)象以來，輸液管問題就引起了人們很大的興趣 。 他的學(xué)生 以“流動引起柱形結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性”為題發(fā)表了一篇 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 7 綜述文章，對輸液管的振動（側(cè)重于線性振動問題）作了精辟的闡述，而且還指出兩種值得注意的失穩(wěn)現(xiàn)象：發(fā)散失穩(wěn)（流體引起的 管路 靜力屈曲）顫振失穩(wěn)（振幅變化的動力行為） 。 1993 年撰寫的綜述文章 6論述了流體誘發(fā)輸液管的振動問題的簡明物理模型，其簡單 形式的控制方程蘊(yùn)含著豐富而復(fù)雜的動力學(xué)內(nèi)容，同時也表明對這樣問題開展非線性動力學(xué)研究的必要性 。 對輸液管進(jìn)行線性分析，首次導(dǎo)出其運(yùn)動方程 。 而后來的 通過對一自由端帶有噴嘴的懸臂管的深入研究導(dǎo)出了懸臂管的三維運(yùn)動模型 。 用傳遞矩陣方法對變曲率管的振動進(jìn)行了分析，但只考慮了平面曲管的面內(nèi)振動 。 0首次按照殼模型對薄壁輸液管的振動問題進(jìn)行分析并建立方程， 1和 2引用 圓柱殼體的運(yùn)動方程描述 管路 ，用經(jīng)典勢流理論計(jì)算流體壓力，對輸液圓柱殼做了較全面的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究 。 3采用 模型和有限元方法，對充液 管路 系統(tǒng)建立模型，應(yīng)用模態(tài)控制的方法，提高 管路 系統(tǒng)的主動空控制阻尼，對 管路 系統(tǒng)實(shí)施主動控制 。 綜上所述，國外關(guān)于流體 管路 振動的研究比較全面，理論與實(shí)踐相結(jié)合，取得了較多的成果，有很好的借鑒價值 。 文研究的主要內(nèi)容 （ 1）建立實(shí)驗(yàn)臺 本文主要研究針對飛機(jī)液壓 管路 系統(tǒng)由于液壓脈動引起管路破裂等問題，建立了輸油 管路 系統(tǒng)的地面模擬實(shí)驗(yàn)，采用錘擊測振法測試 管路 系統(tǒng)的模態(tài)和自振頻率 。 采用實(shí)驗(yàn)方法對兩端進(jìn)行彈性固定的管路的振動特性進(jìn)行了深入的研究 。 管路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的目的是通過利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，搭建管路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺，對管路系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，求出管路的固有頻率和振型 。 （ 2）單管實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析 通過搭建的試驗(yàn)臺 ， 利用數(shù)據(jù)采集器對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析 ， 對頻響函數(shù)進(jìn)行處理 ， 求出管路的固有頻率和振型 。 （ 3） 建模及有限元模態(tài)分析 通過 的建模，建立單管的實(shí)體模型，導(dǎo)入 行網(wǎng)格劃分，添加約束條件，然后進(jìn)行有 限元分析，求出計(jì)算機(jī)模擬的陣型和固有頻率 。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 8 （ 4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對比。 將兩者固有頻率和振型進(jìn)行對比，分析出兩者之間的聯(lián)系 。 從而驗(yàn)證試驗(yàn)與計(jì)算模擬的吻合度，確定計(jì)算模擬的準(zhǔn)確性 。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 9 第二章 管路系統(tǒng)模態(tài)分析方法 態(tài)分析的目的意義 模態(tài)分析的經(jīng)典定義：將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù) 。坐標(biāo)變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型 。 模態(tài)分析所的最終目標(biāo)在是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié) 構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預(yù)報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù) 。 模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用 。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型 。 這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這樣一個計(jì)算或試驗(yàn)分析過程稱為模態(tài)分析 。 這個分析過程如果是由有限元計(jì)算的方法取得的，則稱為計(jì)算模記分析；如果通過試驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號經(jīng)過參數(shù)識別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析 。 通常，模態(tài)分析都是指試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析 。 振動模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)的 固有的、整體的特性 。 如果通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，就可能預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下實(shí)際振動響應(yīng) 。 因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備的故障診斷的重要方法 。 隨著模態(tài)分析專題研究范圍的不斷擴(kuò)展，從系統(tǒng)識別到結(jié)構(gòu)靈敏度分析以及動力修改等，模態(tài)分析技術(shù)己被廣義的理解為包括力學(xué)系統(tǒng)動態(tài)特性以及其應(yīng)用有關(guān)的大部分領(lǐng)域 。 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)是指 ： 人為地對機(jī)械上的各點(diǎn)施加激振力，同時測量其響應(yīng)，由此求出各點(diǎn)的傳遞函數(shù)，最終計(jì)算出固有頻率和振動模態(tài)等參數(shù) (稱為 模態(tài)參數(shù) )的方法 。 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是通過試驗(yàn)測出系統(tǒng)的輸出輸入信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，曲線擬合和參數(shù)識別過程，計(jì)算出決定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，它對系統(tǒng)的動態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)有著很好的實(shí)用價值 。 本論文采用脈沖激勵測試技術(shù) (錘擊試驗(yàn) )多單點(diǎn)激勵，單 點(diǎn) 多次 測量法測取頻響函數(shù) 。 擊法的基本原理 線性系統(tǒng)的頻響函數(shù)是系統(tǒng)在零初始條件下響應(yīng)的 換與激勵的 換之 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 10 比，在頻域反映了系統(tǒng)的動態(tài)特性 。 從理論上講，頻響函數(shù)與激勵無關(guān)，可以用在任何激勵下系統(tǒng)的響應(yīng)按上述定義獲得 。 但考慮到測量精度、激勵條件 、試驗(yàn)成本及時間等因素，真正可行的激勵方案并不多 。 本文采用的是單點(diǎn)分別激勵頻響函數(shù)測試技術(shù)是目前世界上廣泛應(yīng)用的技術(shù)，幾乎適用于一切振動領(lǐng)域 。 按激振力性質(zhì)的不同，頻響函數(shù)測試可分為穩(wěn)態(tài)正弦激勵、隨機(jī)勵及瞬態(tài)激勵三類 。 其中的瞬態(tài)激勵則有快速正弦掃描、脈沖激勵和階躍激勵等幾種方式 。 鑒于各測試技術(shù)的特點(diǎn)和本實(shí)驗(yàn)的要求與條件，實(shí)驗(yàn)將采用單點(diǎn)激振頻響函數(shù)法中的脈沖激勵對 管路進(jìn)行頻響函數(shù)分析 。 脈沖激勵是一種寬頻帶激勵，其力的頻譜較寬，一次激勵可以同時激出多模態(tài)，是一種快速測試技術(shù) 。 其測試設(shè)備簡單，靈活性大，適合于現(xiàn) 場測試 。 從信號分析的角度看需要采集力和響應(yīng)的信號，并作傅立葉變換和功率譜分析 。 由信號分析理論知，脈沖函數(shù)激勵即單位沖擊函數(shù) )(&t ，其傅立葉變換 ： &)( （ 2 由脈沖函數(shù)的抽樣性質(zhì)可知上式右邊的積分是 1，所以 1)& ()( （ 2 可見，單位脈沖函數(shù)的頻譜等于常數(shù)，也就是說，在整個頻率范圍內(nèi) 頻譜是均勻分布的 。顯然，在時域中變化異常劇烈的沖激函數(shù)包含幅度相等的所有頻率分量 。 因此，這種頻譜通常被稱為“均勻譜”或“白色頻譜” 。 由振動理論可知 ： 當(dāng)激勵頻率與系統(tǒng)的固有頻率相近時，系統(tǒng)會發(fā)生共振動，而當(dāng)脈沖力作用于系統(tǒng)時，會激起 管路 的各階響應(yīng)，通過分析其響應(yīng)信號，即可得到 管路 的各階頻率 。 本論文采用脈沖激勵測試技術(shù) (錘擊試驗(yàn) )多點(diǎn)分別激勵，單點(diǎn)測量法測取頻響函數(shù) 。 而錘擊法主要是進(jìn)行寬頻帶激勵，一次激勵就獲得系統(tǒng)在給定頻帶上的響應(yīng) 。 用力錘敲擊系統(tǒng)的激振點(diǎn)，簡稱錘擊法 。 只要敲擊時錘頭與系統(tǒng) 的接觸時間足夠短，則沖擊力可接近理想脈沖，具有很寬的頻帶 。 例如，稍有練習(xí)的人就可在金屬結(jié)構(gòu)上敲擊出很好的脈沖力，其 z 內(nèi)變化平緩 。 將力錘內(nèi)力傳感器感受的力信號和系統(tǒng)的響應(yīng)信號進(jìn)行放大，采樣和 理，獲得與)( )(成比例 的離散形式的 )( ki )( kj 由此便可 獲得系統(tǒng)的頻響函數(shù) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 11 )(/)()( ， k=1， 2 (2錘擊法的特點(diǎn)是： a一次敲擊加上幾乎不耗時的計(jì)算即得到相當(dāng)寬頻帶內(nèi)的一個頻響函數(shù) 。 固定測振傳感器于系統(tǒng)的第 i 個自由度，依次敲擊系統(tǒng)的第 1， 2 直至全部自由度就可獲得頻響函數(shù)矩陣中的第 i 行 。 因此，錘擊法的效率非常高 。 b敲擊力的品質(zhì)受人為影響比較大 。 敲擊力過小不足以激發(fā)系統(tǒng)的振動，過大又引起敲擊點(diǎn)塑性變形 。 因此，得到的頻響函數(shù)誤差比正弦慢掃法過大 。 所以，常采用多次敲擊后平均的方法來減小誤 差 。 路系統(tǒng)試驗(yàn)臺的建立 驗(yàn)儀器 實(shí)驗(yàn)儀器主要用到的實(shí)驗(yàn)儀器有 ： 沖擊力錘、 B&K 傳感器、 據(jù)采集前端、自編測試分析系統(tǒng)等 。 實(shí)驗(yàn)所使用的力錘型號是 力錘可以直接與 據(jù)采集分析系統(tǒng)相連，其主要性能指標(biāo)如表 2 表 2錘參數(shù) 量范圍（ N） 0敏度 4 精度 %FS 1 最大力值時傳感器變形 01 力傳感器固有頻率 5 力傳感器重量 g 52 沖擊力錘重力 500 尺寸 00 80 30 頻率響應(yīng) 錘重量 1 5錘如圖 2示 ： 型 號 性 能 指 標(biāo) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 12 決定力錘半正弦力脈沖及其頻譜主要控制因素有三個 ： 力錘錘帽的硬度，力錘的質(zhì)量，被擊物的剛度 。 力錘及物體硬度越高，則碰擊時間越短 。 力錘質(zhì)量不但決定了錘擊力的大小，也會影響脈沖寬度，錘頭質(zhì)量大的，碰擊時間一般也較大 。 被測物體的剛度越大，碰擊時間越短 。 試驗(yàn)選擇鋼錘帽敲擊，擊振頻率在 6下基本是平直的，完全符合試驗(yàn)要求 。 錘擊力大小取決 于沖擊錘的質(zhì)量和試件的運(yùn)動速度，小試件需要能量小，大試件需要能量大，所以施力的大小應(yīng)根據(jù)具體的試件而定，對于小試件不能用力過大，否則引起結(jié)構(gòu)的非線性而致測試系統(tǒng)過載 ； 對于大試件不能用力過小，否則不足以激起各階模態(tài) 。 實(shí)驗(yàn)采用型號為 B&壓電式加速度傳感器，用 502 強(qiáng)力膠把傳感器底座與試件粘接在一起 。 在實(shí)驗(yàn)中對于傳感器的要求 ： a)試驗(yàn)頻率范圍必須落在傳感器的工作范圍 。 試驗(yàn)所用傳感器的頻率范圍是 1足實(shí)驗(yàn)要求 ； b)盡可能高的橫向靈敏度 ； c)盡可能輕的傳感器 本次實(shí)驗(yàn)所用的加速度傳感器 如圖 2示： 圖 2錘 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 13 加速度傳感器性能參數(shù)表如表 2示： 表 2速度傳感器性能參數(shù) 參考靈敏度 100mv/g 頻率范圍 1 10%) 量程 100g 最大橫向靈敏度比 5% 重量 30g 使用溫度范圍 +120 安裝螺紋 部結(jié)構(gòu) 隔離剪切 實(shí)驗(yàn)采用的美國國家儀器（ 數(shù)據(jù)采集器，前端具有 8 個信號通道口 。 而測試系統(tǒng)是采用自我編程的系統(tǒng)，易于使用，容易上手，測量精度比較高 。 在對 管路 結(jié)構(gòu)進(jìn)行錘擊實(shí)驗(yàn) 時，為了保證精度，共選取了 21 個測點(diǎn) 。 測點(diǎn)的布置如圖2示 。 其中，加速度傳感器置于管路中間位置，采取沿 Z 方向錘擊 。 圖 2 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 14 各測點(diǎn)位置如表 2示 ： 表 2點(diǎn)坐標(biāo) (單位： A 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Y 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Z 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 試系統(tǒng) 利用實(shí)驗(yàn)測量的激勵信號 (力錘激勵信號 )和響應(yīng)的時間歷程信號，運(yùn)用數(shù)字信號處理技術(shù)獲得頻率響應(yīng)函數(shù) （ ， 得到系統(tǒng)的非參數(shù)模型 。 然后利用參數(shù)識別方法得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù) 。 測試系統(tǒng)主要完成力錘勵信號及各點(diǎn)響應(yīng)信號時間歷程的同步采集，完成數(shù)字信號的處 理和參數(shù)的識別 。 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的框圖如圖 2示 。 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由振動加速度傳感器、力錘和美國國家儀器公X 圖 2路布置圖 力錘 加速度傳感器 管路 Z Y X 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報告紙 15 2驗(yàn)室布局圖 圖 2驗(yàn)框圖 司 集前端及自編測試分析軟件組成 。 力錘及加速度傳感器通過信號線與 集前端相連，振動傳感器及力錘為 傳感器，需要 集前端對其供電 。 集相應(yīng)的信號和進(jìn)行信號處理，所測信號通過電纜與電腦