【摘要】：飛機(jī)液壓系統(tǒng)是一個(gè)多余度、高功率密度的復(fù)雜綜合系統(tǒng),每套液壓系統(tǒng)由液壓能源系統(tǒng)及其負(fù)載系統(tǒng)組成,其中液壓能源系統(tǒng)是飛機(jī)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力核心,主要包括泵源系統(tǒng)、管路系統(tǒng)以及油箱增壓系統(tǒng)等,而泵源系統(tǒng)和管路系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生劇烈的機(jī)械和流體耦合振動(dòng)。因此振動(dòng)一直是飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)難以克服的問題,并且隨著系統(tǒng)向高壓大功率方向發(fā)展,振動(dòng)問題越來越突出,相關(guān)研究已成為國(guó)際學(xué)術(shù)研究的前沿和熱點(diǎn)。本論文針對(duì)飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)的振動(dòng)特性進(jìn)行系統(tǒng)性基礎(chǔ)研究,不僅具有重要的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值,而且對(duì)提高國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)液壓系統(tǒng)性能具有重要工程應(yīng)用前景。本課題開展中做出了以下創(chuàng)新性研究:(1)提出了一種三維空間管路軸向與橫向流固耦合振動(dòng)模型的時(shí)域計(jì)算方法。本論文首次嘗試對(duì)管路振動(dòng)模型中的時(shí)間偏導(dǎo)項(xiàng)進(jìn)行差分近似將其轉(zhuǎn)化為一階非齊次線性微分方程,并對(duì)載荷項(xiàng)進(jìn)行多項(xiàng)式近似以求得解析積分值,最后將解析積分值代入到傳遞矩陣中進(jìn)行組集和求解。該方法僅對(duì)時(shí)域偏導(dǎo)進(jìn)行差分近似,對(duì)長(zhǎng)度偏導(dǎo)則采用解析方法求解,同時(shí)對(duì)整體模型采用傳遞矩陣進(jìn)行組集,計(jì)算模型的維數(shù)不會(huì)隨長(zhǎng)度分段增加。常用的傳統(tǒng)特征線法,首先需要同時(shí)對(duì)時(shí)域偏導(dǎo)和長(zhǎng)度偏導(dǎo)進(jìn)行差分近似,還需要保證時(shí)間步長(zhǎng)與管長(zhǎng)分段必須同時(shí)滿足特征方程,這就使得管路系統(tǒng)求解中產(chǎn)生非常復(fù)雜的多特征線相交,導(dǎo)致計(jì)算誤差增大和計(jì)算模型的方程組維數(shù)隨長(zhǎng)度分段增加。本論文提出的方法由于僅對(duì)時(shí)間偏導(dǎo)進(jìn)行了差分近似,不但能解決傳統(tǒng)特征線法造成的誤差大的難題,而且避免了時(shí)間步長(zhǎng)與管長(zhǎng)分段必須同時(shí)滿足特征方程的苛刻條件;該方法還由于采用傳遞矩陣形式而使計(jì)算模型維數(shù)不變,解決了特征線法導(dǎo)致的計(jì)算模型維數(shù)增大而加劇求解難度的問題。該方法不僅能在數(shù)值穩(wěn)定條件下任意修改時(shí)間步長(zhǎng)和管長(zhǎng)分段,實(shí)現(xiàn)變步長(zhǎng)的高效算法,而且其統(tǒng)一性和兼容性大幅簡(jiǎn)化了同時(shí)計(jì)算管路系統(tǒng)時(shí)域和頻域特性的難度和復(fù)雜程度,非常適用于復(fù)雜管路系統(tǒng)。通過對(duì)比典型管路入口和中點(diǎn)的兩組加速度試驗(yàn)值發(fā)現(xiàn),該方法的計(jì)算誤差分別為2.34%和1.56%,均小于基于傳統(tǒng)方法的商用有限元軟件的計(jì)算誤差7.05%和4.02%,且并行計(jì)算耗時(shí)僅為商用有限元軟件計(jì)算耗時(shí)的11.6%。(2)建立了包含軟管、過濾器和蓄能器在內(nèi)的復(fù)雜液壓能源系統(tǒng)的時(shí)域與頻域統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型,并分析了系統(tǒng)特性。本論文首次采用時(shí)域離散的傳遞矩陣方法對(duì)液壓能源系統(tǒng)中的軟管、硬管、過濾器、蓄能器和負(fù)載閥等元件進(jìn)行建模,并將元件模型通過點(diǎn)傳遞結(jié)構(gòu)組集成完整系統(tǒng)模型,同時(shí)求解分析了系統(tǒng)模型的時(shí)域和頻域結(jié)果。該系統(tǒng)模型完整包含了液壓能源系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件,并在模型組集和求解過程中統(tǒng)一了時(shí)域與頻域的步驟與形式�，F(xiàn)有管路系統(tǒng)振動(dòng)特性模型,只對(duì)無附件管路結(jié)構(gòu)或者長(zhǎng)軟管進(jìn)行建模,且時(shí)域與頻域分析都是相互獨(dú)立的,難以適用于復(fù)雜系統(tǒng)分析。本論文建立的模型不僅適用于無附件管路結(jié)構(gòu)或者長(zhǎng)軟管等一般管路系統(tǒng),還可以用于管路和元件的組合系統(tǒng),避免了復(fù)雜液壓能源系統(tǒng)的時(shí)域與頻域分別獨(dú)立建模和求解的復(fù)雜過程,在復(fù)雜系統(tǒng)建模分析中可以得到更廣泛的應(yīng)用。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)流體動(dòng)態(tài)中66 Hz、256 Hz、786 Hz和414Hz四個(gè)諧振點(diǎn)也是管路結(jié)構(gòu)的受迫振動(dòng)諧振點(diǎn),分別對(duì)應(yīng)過濾器特征頻率、過濾器前端管路基頻及其3倍頻和蓄能器前端管路子系統(tǒng)特征頻率;過濾器起隔離作用,衰減高頻脈動(dòng)而產(chǎn)生低頻波動(dòng),而蓄能器能吸收此部分低頻波動(dòng),兩者共同作用使系統(tǒng)出口保持較小的壓力和流速波動(dòng);當(dāng)處于22 Hz的蓄能器特征頻率時(shí),管路系統(tǒng)中的全部流量波動(dòng)幾乎全部被蓄能器實(shí)時(shí)吸收,表現(xiàn)為出口無脈動(dòng)輸出。(3)建立了高轉(zhuǎn)速柱塞泵斜盤變量機(jī)構(gòu)高頻振動(dòng)的精細(xì)數(shù)學(xué)模型。本論文將斜盤變量機(jī)構(gòu)中的許多被忽略的阻尼容腔、細(xì)長(zhǎng)流道和負(fù)載模塊等同時(shí)考慮以建立精細(xì)數(shù)學(xué)模型,并系統(tǒng)分析了可變結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)斜盤變量機(jī)構(gòu)高頻振動(dòng)特性的影響,獲得了所有結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)斜盤高頻振動(dòng)的局部靈敏度。該模型由于其各結(jié)構(gòu)建模更完整使其計(jì)算精度更高,而所有結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度分析則使斜盤高頻振動(dòng)特性分析更全面,且易于獲得衰減斜盤振動(dòng)的優(yōu)化措施。現(xiàn)有柱塞泵斜盤振動(dòng)特性研究模型一般比較簡(jiǎn)單,只通過排油柱塞和變量柱塞力矩分析斜盤受到高頻激勵(lì)力矩的影響,或只研究其低頻響應(yīng)特性,沒有考慮內(nèi)部細(xì)長(zhǎng)流道等結(jié)構(gòu)的影響,沒有衰減斜盤高頻振動(dòng)的具體措施。本論文建立的精細(xì)模型彌補(bǔ)了以往模型簡(jiǎn)單和分析不全面的缺陷,解決了現(xiàn)有簡(jiǎn)單模型只能用于低頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析而難以精確分析高頻振動(dòng)特性的問題,提出了衰減斜盤高頻振動(dòng)的具體優(yōu)化措施。仿真結(jié)果表明適當(dāng)增大柱塞泵出口容腔體積、變量控制閥閥芯彈簧剛度、變量柱塞作用面積和變量柱塞力臂長(zhǎng)度,或適當(dāng)減小變量控制閥閥芯直徑和變量柱塞腔體積等優(yōu)化措施,都可以大幅衰減斜盤振動(dòng)幅值,其中變量控制閥閥芯直徑、柱塞泵出口容腔體積和變量控制閥閥芯彈簧剛度的優(yōu)化效果最好,相應(yīng)的斜盤振動(dòng)衰減幅度與參數(shù)變化幅度的比值分別達(dá)到215%、155%和130%。本論文主要研究?jī)?nèi)容如下:第一章,緒論。概述了飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)的組成及應(yīng)用,闡述了飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)和流體脈動(dòng)相關(guān)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,分析了課題的研究背景及研究意義,并介紹了主要研究?jī)?nèi)容和研究難點(diǎn)。第二章,高轉(zhuǎn)速柱塞泵振動(dòng)特性分析。分別建立了基于強(qiáng)流固耦合的復(fù)雜柱塞泵動(dòng)力學(xué)模型和包含柱塞泵內(nèi)部各類大小容腔流阻、長(zhǎng)細(xì)管道和負(fù)載模塊等結(jié)構(gòu)參數(shù)的柱塞泵斜盤振動(dòng)模型并通過試驗(yàn)驗(yàn)證。通過仿真計(jì)算研究了高轉(zhuǎn)速飛機(jī)柱塞泵典型流體脈動(dòng)特性,進(jìn)一步從時(shí)域角度分析了斜盤變量機(jī)構(gòu)振動(dòng)與流體脈動(dòng)的傳遞關(guān)系,最后研究了主傳遞路徑中斜盤變量機(jī)構(gòu)各參數(shù)對(duì)斜盤振動(dòng)的影響,通過參數(shù)靈敏度分析探究了減輕斜盤振動(dòng)的技術(shù)途徑。第三章,飛機(jī)液壓能源管路系統(tǒng)元件振動(dòng)建模。綜合考慮Bourdon耦合、摩阻、離心力和科氏力等的影響,建立了直管和彎管單元14方程復(fù)雜流固耦合模型�；贙elvin-Voigt粘彈性模型,建立了軟管流固耦合模型�；诘湫鸵簤焊郊Y(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立了過濾器和蓄能器的模型。第四章,飛機(jī)液壓能源管路系統(tǒng)振動(dòng)模型計(jì)算。首先建立了用于管路系統(tǒng)模型組集的復(fù)雜邊界條件和典型管路結(jié)構(gòu)模型,包括各類型支撐約束、分支結(jié)構(gòu)和空間旋轉(zhuǎn)等。然后分別推導(dǎo)了基于離散時(shí)間傳遞矩陣模型的時(shí)域計(jì)算方法和基于拉氏變換傳遞矩陣模型的頻域計(jì)算方法。最后設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單彎管系統(tǒng)的沖擊試驗(yàn),建立了ANSYS流固耦合仿真工程,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。第五章,飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)振動(dòng)特性分析。本章首先從元件級(jí)計(jì)算了液壓能源系統(tǒng)中復(fù)雜粘彈性軟管、過濾器和蓄能器的動(dòng)態(tài)響應(yīng),分析了這些元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)自身動(dòng)態(tài)特性的影響。進(jìn)一步,建立了復(fù)雜的平面管路系統(tǒng)和空間管路系統(tǒng)模型,驗(yàn)證了模型準(zhǔn)確性,研究了卡箍支撐剛度和位置等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)特性的影響。最后,建立了典型液壓能源系統(tǒng)模型,研究了液壓能源系統(tǒng)中流體和結(jié)構(gòu)的時(shí)域和頻域特性,探究了液壓能源系統(tǒng)中軟管、過濾器和蓄能器等元件和管路布局結(jié)構(gòu)對(duì)液壓能源系統(tǒng)特性的影響。第六章,總結(jié)與展望。對(duì)本文的研究工作進(jìn)行了概述,給出了研究結(jié)果和主要結(jié)論,指出了本文的創(chuàng)新點(diǎn),并展望了進(jìn)一步的研究方向和內(nèi)容。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V245.1;TH137
【圖文】：

１．１概述逡逑現(xiàn)代飛機(jī)液壓系統(tǒng)是一個(gè)多余度、高功率密度的復(fù)雜綜合系統(tǒng)，k翁滓貉瓜低秤懾義弦貉鼓茉聰?shù)统及其负载系统组成｜｜Ｋ|繽跡保彼荊郟玻蕁Ｆ渲幸貉鼓茉聰?shù)统是飞机液压系辶x賢車畝誦�，飞机液压能月�?shù)统主要包括油箱、泵缘A(chǔ)⒂吐�、蓄能砌棦冷却器和管辶x下廢低車�。飞机液压能月�?shù)统主要作用是为液压系统記]峁┠芰�，包括弃掍忌愝毰，辶x轄笠硎輾擰⒓跛侔迨輾�，舱门瘦毰，进气锥操资n⒏ㄖ挪僮蕁⒎⒍才緲詰麇義轄凇⑷加捅猛隙�、刹硴踬资n⑶奧腫洳僮蕁⒅韃僮菝娌僮蕁⑶霸到笠聿僮蕁⒈浜舐渝義匣共僮菁拔捕娌僮蕕齲婕暗蕉刂啤⒎尚脅僮鶯推鴟勺怕降齲保常蕁Ｗ魑苫玨義舷低車鬧匾槌剎糠鄭苫貉鼓茉聰?shù)统对飞机的飞行安全起讱键的作又櫍辶x希澹鈴澹桑肽茉聰?shù)驼\(chéng)潁у澹桑氬糠皺危掊�、辶x隙膩澹懾五五義稀卞緯懾五危哄義希穩(wěn)砉堋㈠危竽芷麇�！辶x希″�？５「辶x稀�、发４机＿r2廣〈／邐麟逡逑、邐＜邋Ｌ？暴逡逑ｆ邐－逡逑X棧桑擻腕劐五義賢跡保蹦承頭苫貉瓜低沖義戲苫貉鼓茉聰?shù)统中的高压部方K穸罹緦遙災(zāi)夢(mèng)韉囊貉貢迷叢詬咚儺義獻(xiàn)碩屯次龐凸袒岵叩難沽β齠突嫡穸哐沽β齠涑鲇質(zhì)瑰義弦貉鼓茉摧崖廢低襯諏魈搴凸?fàn)C騫藶凡科日穸

本文編號(hào)：2773254