记忆合金接头航空导管随机振动实验研究

张凌云,周 帅,孟伟琪,朴小东

(1.沈阳航空航天大学 航空制造工艺数字化国防重点学科实验室,沈阳 110136;2.中国南方航空股份有限公司 沈阳维修基地,沈阳 110169;3.中国人民解放军空军航空大学 飞行训练基地,辽宁 锦州 121000)

近年来,随着我国航空事业的不断发展,飞行的安全性受到广泛关注.在飞机上采用大量的导管来连接管路系统,一般采用扩口和无扩口连接方式,甚至会有导管相接的情况,有必要对其进行相关振动实验以保证其安全性.由于飞机液压系统工作压力、承载形式等不同,航空导管的随机振动实验与普通随机振动有一定的区别.钛合金导管具有质量轻、耐高温、韧性好、耐腐蚀等优越性能,因此广泛应用于航空航天领域[1].对于发动机附近的导管要求会更高,钛合金导管之间采用记忆合金材料的管接头来连接,有助于提高使用寿命,我国飞机大部分采用的是不锈钢航空导管.

目前,许多学者对各种管路的随机振动做了大量研究:周芒等[2]对导管模型进行适当的精细化与简化,通过大量同类型导管的模态实验,得到导管的模态阻尼比随频率变化关系为幂函数;康力等[3]采用基于试车实测数据的振动响应求解方法,对典型管路的振动响应特性进行了计算分析,得出低阶振型对管路的动态特性起决定作用;蔡亦钢[4]对某机液压系统泵出口管道的振动进行地面模拟实验研究,得出不存在导管内流速变化而诱发振动的可能性,流速变化只对固有频率有小量的影响;陈景春等[5]对天然气压缩机管系振动问题,采用模态分析和谐响应分析的方法,得出改变支撑位置、合理的添加支撑的方法来减小振动.

本文针对某机型航空导管,建立了随机振动响应数学模型;并通过有限元模拟对记忆合金接头航空导管进行模态分析和随机振动分析,得出记忆合金管接头处的等效应力响应;最后通过实际随机振动实验和经典冲击实验,验证了有限元模拟的准确性以及航空导管的工艺质量.

1 随机振动响应的数学模型

根据弹性力学中物体运动的平衡方程可表示为内力、外力和惯性力的关系,其表达式为

(1)

首先求解系统的固有模态,令C=0,f(t)=0,可得出系统的运动方程为

(2)

其对应的特征方程为

(3)

(4)

式中:Υi为第i阶振型参与系数;hi(τ)为第i阶脉冲响应函数.

X(t)的自相关函数矩阵为

(5)

输出功率谱密度函数为

(6)

式中:Hi(ω)为脉冲响应函数hi(t)的傅里叶变换.通常情况下,将交叉项忽略,根据概率论与数理统计相关内容,可得均方根响应为

(7)

2 随机振动有限元分析

实验采用TA18钛合金航空导管,接头形式为记忆合金管接头.记忆合金是一种新型智能材料,具有独特的形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼特性等特点,与一般金属材料相比,在发生了塑性变形后,经过加热到某一温度之上,能够完全恢复到变形前的形状,这种现象叫做记忆效应[8],如图1所示.

图1 记忆效应Fig.1 Memory effect

在有限元分析过程中,航空导管材料参数如表1所示.

表1 航空导管材料参数Tab.1 Material parameters of aviation conduit

2.1 模态分析

模态分析是用于确定系统振动过程中固有频率和振型[9],本文采用CATIA软件对航空导管进行三维建模,导管长度475 mm,外径为φ12 mm,壁厚1 mm.在模型建好之后,基于有限元法对导管进行模态分析,对导管两端位移进行约束,两夹具间中心距离为385 mm,将模型导入ANSYS软件中进行模态分析.采用六面体单元网格划分,求解后各阶频率如表2所示,导管前6阶振型如图2所示.

表2 约束状态下前6阶频率Tab.2 The first 6 order frequencies in theconfined state Hz

图2 前6阶振型图Fig.2 The first 6 steps of the vibration diagram

2.2 随机振动分析

在模态分析结束之后进行随机振动分析,输入的功率谱密度示意图如图3所示,在扫频试验中采用3种功率谱密度,分别记作case1,case2和case3,其对应的功率谱密度具体参数如表3所示.

图3 功率谱密度示意图Fig.3 Power spectral density diagram表3 功率谱密度相关参数Tab.3 Power spectral density related parameters

功率谱密度/(g2·Hz-1)频率f/Hz208030010002000case10.00480.00480.030.030.0048case20.0480.0480.30.30.048case30.480.48330.48

输入功率谱密度进行求解计算,根据ANSYS计算结果,可以直接得到导管在Y方向上的3σ变形云图和3σ等效应力云图,如图4和图5所示.振动水平从case1变到case3(由低到高),相应的导管最大变形量不超过0.16 mm,0.50 mm,1.58 mm的概率为99.73%,等效应力不超过16.42 MPa,51.92 MPa,164.19 MPa的概率为99.73%,变形最大位置为记忆合金管接头位置处.

图4 导管3σ变形云图Fig.4 3σ deformation of conduit

图5 导管3σ等效应力云图Fig.5 3σ equivalent stress of conduit

通过随机振动分析,得到不同振动等级下记忆合金管接头位置处的等效应力响应功率谱,如图6所示.由于20～260 Hz以及600～2 000 Hz功率谱响应接近0,故截取260～600 Hz的结果.随着振动水平的增加,等效应力功率谱明显增加.导管等效应力响应取决于共振区域的激振频率,因此,峰值出现在共振频率427.47 Hz处.

图6 等效应力功率谱Fig.6 Equivalent stress power spectrum

3 随机振动实验

3.1 随机振动实验方法

采用LDS-Dactron振动测试系统对记忆合金航空导管接头进行随机振动实验,振动实验装置主要由振动台、风机、增压设备、传感器等[10-12]设备组成,实验系统工作原理如图7所示.

将导管夹持在夹具上,然后固定在振动工作台中心位置,如图8所示,箭头所示处为记忆合金管接头位置.利用空气压缩机和液体增压试验机,对导管充10号航空液压油至工作压力10 MPa,在系统中输入功率谱密度进行随机振动实验.

图7 随机振动实验系统工作原理图Fig.7 Random vibration test system workingprinciple diagram

图8 导管装夹方式Fig.8 Conduit clamping method

通过随机振动实验,得到不同振动水平情况下航空导管的功率谱密度图像,如图9所示.

从图9可以看出,随机振动实验曲线(控制曲线)与目标曲线基本吻合,随着振动水平的增加,功率谱密度随着增大,与有限元分析的规律完全吻合,并全部通过考核.

图9 不同情况下随机振动功率谱密度Fig.9 Random vibration power spectral density under different cases

3.2 经典冲击实验

针对随机振动实验后的管件继续进行经典冲击实验,冲击脉冲的波形及容差按GJB 150.18—86标准规定[13-14],实验时试验件应在加压15 min后沿径向施加冲击,冲击3次,经典冲击实验的波形如图10所示,图中横坐标为时间,纵坐标为加速度.

经典冲击实验采用随机振动实验的装置,缩短试验件的装夹以及密封性检查等繁琐的工序,以提高实验效率.从图10冲击实验的脉冲波形看,实验加速度峰值范围为11.95～12.32g(重力加速度),在(12±1.8)g容差范围之内,时间脉宽范围为11.73～12.38 ms,处于20～50 ms范围之内,均符合实验标准.

图10 经典冲击实验波形图Fig.10 Classic shock test waveforms

冲击实验结束后,所有导管均无渗漏和破坏现象,全部合格,而在随机振动实验的基础上做经典冲击实验要比单一冲击实验的环境更加严酷,更能说明工艺质量的可靠性.

4 结论

本文通过建立随机振动响应分析的数学模型,推导了随机振动均方根响应近似表达式.在此基础上,采用有限元法分析了不同振动水平下航空导管记忆合金管接头处的响应以及应力、变形情况,通过实验进一步研究了不同振动水平下航空导管的振动特性.主要得出以下结论:

(1) 有限元模拟计算结果与实验结果吻合,表明有限元分析对航空导管随机振动分析的可靠性.同时有限元模拟还可以得出记忆合金管接头处任意点的等效应力响应.

(2) 通过经典冲击实验,航空导管全部合格,更加验证了工艺质量的可靠性,该航空导管记忆合金管接头目前已应用于我国某飞机上.

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