液压管道问题研究及流固耦合分析

管路系统失效1——冲击


水锤现象——液体在管道中稳态流动， 当突然关闭或开启阀门，或者突然停止 和运行水泵时，液体的稳流状态就会发 生改变，带来巨大的瞬态压力变化，由 停止点开始的高压波在管道内传递。 水锤产生的压力冲击作用是非常大的， 因此考虑流体波速对管道压力的影响十 分必要。
管路系统失效2——共振
应力云图
应力云图
弯管内侧节点x方向位移-时间图
弯管内侧节点y方向位移-时间图
弯管内侧节点应力-时间图
算例结果分析


弯管内侧应力较大 当前算例情况下（管道较短、约束较 强），流固耦合振动衰减较快，很快趋 于稳定 但当管道加长、约束减弱（为简支或圆 支时），振动会加强
对实际工程问题可进行的分析
计算软件


CFX-ANSYS（12.0 版本） CFX 是集成于ANSYS 中的流体计算软件，虽然 功能较fluent 差，但是目前只有CFX 可以不借 助第三方软件与ANSYS 实现双向流固耦合的计 算。 因此现在选用CFX-ANSYS 来解决双向流固耦合 问题。其基本框架与MPCCI 相同，实现耦合的 通讯软件为MFX(multi-field solver)。
管路系统失效2——共振




1）压力脉动频率与管道固有频率接近或者重合。管道 在其固有频率上发生最大幅值的强烈振动，将很快导 致管道的破裂。 2）压力脉动或者谐振增强后的压力脉动幅值过大，使 作用于管壁上的压力脉动超过了管道材料的屈服应力 极限，则将在短时间内造成管壁的破裂。 3）压力脉动或者谐振增强后的压力脉动，即使幅值很 小，却仍能够使支撑结构表面发生微动磨损，严重的 磨损使支撑结构遭到破坏，失去了对管道支撑功能。 4）在3的条件下，随着微动磨损的发展，支撑刚度逐 渐下降，从而使管道的固有频率逐渐降低，可能会逐 渐发展为1的情况。


1）校核冲击载荷下是否超过应力极限 2）进行模态分析，调整系统部件设计， 避免共振 3）对于强迫振动下的振动疲劳进行寿命 预计
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By 0.99Ma



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管路振动的情况比较复杂，液压泵脉动式的流 量输出使流体管路和固体管道产生强迫振动。 流体管路本身的分布参数特性，使之在管道结 构满足谐振条件时，发生自激谐振。液压泵的 脉动频率与流体的谐振频率接近时，振动会进 一步加强。 如果固体管道的固有频率与流体的谐振频率相 接近，或者与液压泵的脉动频率相接近，则产 生流固耦合共振。

固体属性:
管道材料为普通钢材，密度ρ=7800 kg/m^3，弹性模 量E=210 GPa，泊松比v=0.3

流体属性：
流体为水，密度ρ=997kg/m^3，温度25℃，动力粘性 系数v =0.0008899kg/m*s
算例


耦合时间 0.4s 计算步长 0.001s 初始条件：出口压力设为零，入口处加一流速 V1，单位为m/s 支撑方式： 两端固支
液压管路分析
研究背景



液压系统的压力脉动不仅影响系统正常工作， 降低系统性能，如果压力脉动诱发大的管路振 动，会降低管路以及液压部件的寿命。 严重时甚至造成管壁的破裂、管路支撑结构的 破坏，引起支撑刚度下降，使管路系统失效、 压油液流失，从而导致严重的灾难性事故。 因此，弄清楚飞机液压系统管道流固耦合振动 的机制，对于设计安全可靠的新型液压系统和 对于现有飞机液压系统振动抑制对策都是非常 重要的。
流固耦合分析工作



a. 建立管系结构有限元网格； b. 建立流体的欧拉网格； c. 定义材料特性； d. 定义流动初始条件； e. 定义流固耦合； f. 定义流动边界； g. 定义输出请求；
流固耦合分析框架图
算例
算例

几何尺寸：
弯管两端直段长度均为L =0.5m，弯曲半径R =0.1m， 角度90°，管道内径d =0.049m，壁厚t =0.002m；
管路系统失效3——疲劳



基于管路结构的整体有限元分析，筛选 疲劳危险部位 对确定的疲劳危险点，可设计相应的疲 劳模拟试验件进行实验，或用应力严重 系数法（SSF）、局部应力应变法、应力 场强法等方法进行疲劳寿命估算 另外应考虑振动疲劳，与静载疲劳有区 别
液压管道流固耦合作用的机理



液压管道流固耦合作用的机理主要有三种： 摩擦耦合、泊松耦合、结合部耦合。 摩擦耦合是指液体与管道内壁之间的摩擦作 用及管道内液内摩擦；泊松耦合是指由液体 压力脉动而带来的管道径向胀缩运动；结合 部耦合是指液体与管道在某些连接件处所发 生的较强耦合作用。 摩擦耦合对响应的影响最小，而泊松耦合和 结合部耦合对响应的影响较大。
双向流固耦合计算基本思路



使用双向耦合求解法，让不同的耦合场迭代求 解，通过场间耦合媒介交换耦合信息，在各个 时间步之间耦合迭代，收敛后再向前推进。 1）当流体推动固体时，流体的流动参数计算 >FSI耦合边界>固体的变形或移动参数计算 2）当固体推动流体时，固体的变形或移动 >FSI耦合边界>流体的流动计算。