航空发动机液压管路系统耦合振动的建模与分析

论文摘要

航空发动机的液压管路,主要是用于燃油,滑油和空气等介质的输送,是航空发动机附件系统的重要组成部分。同时其工作环境也是相当恶劣的,一旦发生断裂,后果极其严重。经过以往的调查研究,航空发动机的故障大多数是由管路的破裂引起的,而管路的流固耦合振动是引起故障的主要原因之一。因此,液压管路的可靠性直接影响到发动机的性能和安全。研究其流固耦合振动的机理及固有特性有重要意义。本文的研究目的在于明确航空发动机液压管路系统的流固耦合振动机理,以解决液压管路因共振而发生裂纹和漏油现象避免事故。本文采用牛顿法建立了航空发动机液压管路的非线性数学模型,考虑了粘弹性系数和脉动流因素并将方程进行了无量纲化。通过对已经建立的耦合振动非线性数学模型进行理论分析研究管路的质量比、流速、轴向力等参数对固有频率影响。采用Galerkin法对运动微分方程进行了离散化处理,然后利用模态函数的正交性,最终得到了一阶微分方程组标准形式的微分方程；推导出了管路系统临界流速的解析表达式；比较了复模态法和Galerkin法；得到了各参数与固有频率的关系曲线。研究了管路振动对于航空发动机机匣激励的响应,通过数值模拟航空发动机液压管路的振动得到了系统的响应曲线和相平面图,分析了系统的稳定性。最后通过实验测得了管路的固有频率以及在各频率激励下管路的振动响应,实验所得结论与理论相符合。本文得到的结论与已有的输流管道流固耦合振动成果相符合,较好的模拟了航空发动机液压管路的工作环境,能够为设计航空发动机管路系统提供理论的参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及其意义
• 1.2 课题研究状态
• 1.2.1 航空发动机液压管路的振动研究
• 1.2.2 输流管道耦合振动的研究
• 1.2.3 分析方法研究
• 1.3 流固耦合振动的固有频率
• 1.4 本文研究的内容
• 1.5 课题研究的创新
• 1.6 课题研究存在的不足
• 1.7 论文的基本结构
• 第2章 数学模型的建立
• 2.1 航空发动机液压管路系统的耦合振动
• 2.2 管路模型与假设
• 2.3 运动微分方程推导
• 2.3.1 机匣管箍的振动
• 2.4 模型中的几何问题
• 2.5 运动微分方程无量纲化
• 2.6 考虑脉动流的影响
• 2.7 管路的模态函数和频率方程
• 2.7.1 边界条件
• 2.7.2 模态函数和频率方程
• 2.7.3 频率方程的特征值
• 第3章 航空发动机管路耦合振动方程的求解与分析方法
• 3.1 引言
• 3.2 常微分方程数值计算方法
• 3.2.1 Runge-Kutta法
• 3.2.2 复模态法
• 3.2.3 特征值法
• 3.3 软件介绍
• 3.3.1 Matlab
• 3.3.2 Mathematica软件介绍
• 第4章 管路微分方程的求解与分析
• 4.1 摄动法建立派生方程与一阶方程
• 4.2 复模态法分析管路固有频率
• 4.3 模态函数的确定
• 第5章 Galerkin方法离散化与管路振动的固有特性分析
• 5.1 Galerkin方法以及方程的离散化
• 5.1.1 临界流速解析表达式
• 5.2 各参数对系统固有频率的影响
• 5.2.1 固有频率
• 5.2.2 流速对固有频率的影响
• 5.2.3 其他各参数对系统固有频率的影响
• 5.2.4 各参数对系统临界流速的影响
• 5.2.5 考虑粘弹性系数的影响
• 第6章 管路振动的响应分析
• 6.1 时间历程图
• 6.1.1 管路在共振频率处的振动响应
• 6.1.2 改变激励频率和振幅的振动响应
• 6.2 系统相平面图
• 第7章 管路振动响应的实验测试
• 7.1 航空发动机液压管路模拟实验台
• 7.2 实验测试方法
• 7.3 管路振动响应测试
• 7.3.1 压力2MPa时管路的振动响应
• 7.3.2 压力4MPa时管路的振动响应
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢