陳振中，張 弛，王璐璐，王 震

(1.沈陽航空航天大學(xué) 民用航空學(xué)院，沈陽 110136；2.中國南方航空股份有限公司 沈陽維修基地，沈陽 110000)

0 引言

供油管道是飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置(APU)中的重要零部件，工作狀態(tài)下管道中燃油的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)管道螺栓連接件振動(dòng)，造成螺母與螺栓之間的螺紋連接產(chǎn)生松動(dòng)，導(dǎo)致螺母中螺紋的疲勞損傷，降低管道螺母的使用壽命。

祖衛(wèi)華等人運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)管壁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行特性分析，通過增加管道約束的方式，提高整體結(jié)構(gòu)各階自振頻率，有效地避開了工作頻率范圍。李少靜等人在流固耦合作用下對(duì)管道進(jìn)行模態(tài)分析，得到管道固有頻率和振型圖?？盗Φ热藢?duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)多個(gè)位置的外管路進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析，得出各個(gè)部位管道各異振動(dòng)特征。呂彪等人研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)供油管道裂紋，認(rèn)為管道裂紋為高周疲勞裂紋。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的管道振動(dòng)特性研究較多，對(duì)于飛機(jī)APU供油管道研究較少。APU在實(shí)際使用中經(jīng)常發(fā)生供油管路振動(dòng)，進(jìn)而引起供油管路接頭螺紋損傷，因此對(duì)APU供油管道進(jìn)行模態(tài)分析，給出供油管道的固有頻率及振型，對(duì)研究管道連接接口疲勞損傷具有重要價(jià)值。

1 三維建模及數(shù)值模擬

1.1 三維建模

本文利用SolidWorks軟件對(duì)APU供油管道進(jìn)行1：1等比例建模，導(dǎo)管三維模型如圖1所示。管道的材料為鈦合金Ti-3Al-2.5V，密度為4 620 kg·m。在ANSYS DM模塊中建立流體模型，選中管道內(nèi)壁，在Fluent模塊中利用“fill”命令生成流體，設(shè)定材質(zhì)為液體燃油Gasoil Liquid，密度為770 kg·m，流體模型如圖2所示。

圖1 導(dǎo)管三維模型

圖2 流體模型

APU中供油管道種類多種多樣，本文利用SolidWorks軟件對(duì)其中一種型號(hào)進(jìn)行等比例三維實(shí)體建模，然后運(yùn)用Workbench軟件對(duì)管道進(jìn)行仿真分析，最終得出管道的振型特點(diǎn)。

1.2 流固耦合及模態(tài)分析

流固耦合力學(xué)是研究變形固體在流場(chǎng)作用下的各種行為以及固體位形對(duì)流場(chǎng)影響這二者相互作用的一門科學(xué)。為了計(jì)算燃油與管道之間的相互作用，本文采用流固耦合進(jìn)行供油管道的模態(tài)分析，因?yàn)楣艿雷冃魏苄?，所以使用Fluent模塊與靜力學(xué)模塊Static Structural連結(jié)組合成的單向流固耦合模塊，在Fluent模塊中計(jì)算流體模型在流經(jīng)管道產(chǎn)生的壓力，然后在靜力學(xué)模塊Static Structural中計(jì)算管道受流體影響產(chǎn)生的應(yīng)力載荷。

1.2.1 流體模型數(shù)據(jù)計(jì)算

采用掃掠法sweep method對(duì)流體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置流體進(jìn)出口，對(duì)進(jìn)口面設(shè)定8層邊界層，網(wǎng)格類型設(shè)置為三棱柱，并對(duì)進(jìn)口面設(shè)定網(wǎng)格大小為1 mm，共生成214 901個(gè)節(jié)點(diǎn)，277 140個(gè)單元，流體網(wǎng)格劃分如圖3所示。根據(jù)APU供油管道實(shí)際維修數(shù)據(jù)，在Fluent模塊中設(shè)置管道內(nèi)壓強(qiáng)為1.379 MPa，燃油流量0.025 2 kg·s，流速0.014 2 m/s。由于管道出口唯一，根據(jù)進(jìn)口流速和壓強(qiáng)設(shè)置出口邊界條件為自由流出，流出量權(quán)重設(shè)置為1。計(jì)算得到殘差圖如圖4所示，從殘差圖可以看出各參數(shù)收斂曲線隨計(jì)算步數(shù)的增加而降低，最后趨于平緩，說明流體計(jì)算收斂，可導(dǎo)入管道進(jìn)行下一步計(jì)算。

圖3 流體網(wǎng)格劃分

圖4 殘差圖

通過CFD-Post軟件得到流體流速矢量圖如圖5所示，從矢量圖可以看出流體流速在管道中間會(huì)更快，并且在管道彎曲處流速增加。

圖5 流體流速矢量圖

1.2.2 靜力學(xué)模塊計(jì)算及模態(tài)分析

在模型中對(duì)供油管道采用六面體網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格單元大小為1 mm，對(duì)于管道彎曲部分進(jìn)行面映射網(wǎng)格劃分，共生成144 900個(gè)節(jié)點(diǎn)，26 310個(gè)單元，管道網(wǎng)格劃分如圖6所示。將Fluent中流體對(duì)管道產(chǎn)生的載荷設(shè)置壓力導(dǎo)出，設(shè)置邊界條件：由于管道較短，管道之間只有在接頭處的螺母固定，所以在接頭處設(shè)置為固定支點(diǎn)，然后進(jìn)行靜力學(xué)分析，得出管道在流固耦合狀態(tài)下的載荷分布。

圖6 管道網(wǎng)格劃分

在靜力學(xué)模塊中進(jìn)行模態(tài)分析，得到管道固有頻率如表1所示，管道前六階振型圖如圖7所示。從表1中可以看出前三階固有頻率平穩(wěn)增長，第四階到第六階固有頻率出現(xiàn)跳躍式增長。最大變形主要在管道中間彎曲處，其中第三階和第五階變形最大；第一階振型中管道主要沿著軸方向變形，第二階振型中管道主要沿著軸方向變形，第三階振型中管道主要沿著軸和軸方向變形，四到六級(jí)階振型管道變形并無明顯規(guī)律。

圖7 前六階振型圖

表1 固有頻率

2 結(jié)論

本文通過SolidWorks軟件對(duì)某型APU供油導(dǎo)管進(jìn)行三維建模，在ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行流固耦合分析，得到供油狀態(tài)下管道的固有頻率和前六階振型。研究結(jié)果表明第一階振型中管道主要沿著軸方向變形，第二階振型中管道主要沿著軸方向變形，第三階振型中管道主要沿著軸和軸方向變形，四到六級(jí)階振型管道變形并無明顯規(guī)律；管道變形主要發(fā)生在管道中間彎曲處，其中第三階和第五階振型變形最大。