CN103970918A - 一种液压管路动应力仿真分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞机液压系统应力分析技术领域，特别是涉及一种液压管路动应力仿真分析系统及方法。本发明公开了一种液压管路动应力仿真分析系统及方法。该方法和系统能够分析管路系统的模态和工作环境下的动力响应，预测系统的固有频率和振型，获得结构的整体变形和应力，校核结构关键部位的刚度和强度。并最终在统一的软件平台下，实现管路的参数化建模、自动分析和结构修改后的重分析，辅助实现结构的振动抑制。

Description

一种液压管路动应力仿真分析系统及方法

技术领域

本发明属于飞机液压系统应力分析技术领域，特别是涉及一种液压管路动应力仿真分析系统及方法

背景技术

装在发动机传动机匣上的液压泵及管路处于复杂的振动环境中，容易发生共振，严重的将导致管路损坏，影响飞行安全。以往泵出口能源系统管路设计均是凭经验，带有随意性，液压管路的动应力只能到系统设计结束，在真实铁鸟试验台上进行试验后测得，如果动应力超标，再重新更改设计，试验验证，导致系统研制周期加长。

该液压管路系统分为吸油管路、回油管路和压油管路三部分。每条管路，由软管、硬管、管接头、卡箍和支座组成。其中压油管路是最容易发生破坏的管路，压油管路上的第一段硬管处，管路的拐角处，卡箍上的螺栓处，都是分析的重点部位。

发明内容

本发明的目的：

本发明公开了一种液压管路动应力仿真分析系统及方法。该方法和系统能够分析管路系统的模态和工作环境下的动力响应，预测系统的固有频率和振型，获得结构的整体变形和应力，校核结构关键部位的刚度和强度。并最终在统一的软件平台下，实现管路的参数化建模、自动分析和结构修改后的重分析，辅助实现结构的振动抑制。

本发明的技术方案：

一种液压管路动应力仿真分析方法，本方法包括以下步骤：

第一步，建立液压管路系统三维模型：在三维模型模块中，根据液压系统的原理，布置和安装技术要求，设置相关参数，建立出完整的液压系统三维模型。

第二步，通过三维模型模块的二次开发能力，利用用户界面模块提取液压系统三维模型中的结构信息和材料信息。

所述的结构信息包括：硬管的空间轴线、直径、壁厚、起点坐标；软管的空间轴线、直径、壁厚、起点坐标；管夹中心点相对于所在硬管的直管段与弯管段分界面的位置、管夹内径、宽度；卡箍中心点相对于所在硬管的直管段与弯管段分界面的位置，内径、宽度；管接头的与其相连的硬管或和软管的起点和终点坐标；支架的厚度、圆孔圆心位置。材料信息包括：硬管、管夹、卡箍、管接头以及支架的材料。

第三步，重构有限元模型：利用用户界面模块将第二步提取到三维模型的结构信息和材料信息输送给有限元分析模块，有限元分析模块对三维模型进行简化重构，得到可用于分析的有限元三维模型。

所述的简化重构包括：将卡箍头部的倒圆角简化为直角；将卡箍头部的两金属片贴合简化为一块；将卡箍金属片外层橡胶边简化，只保留内层橡胶边；将管夹的橡胶和金属片贴合简化为一块；将固定螺栓简化为圆柱体；将管接头简化为圆筒；将支架简化为薄板。

第四步，在有限元分析模块中，设置好分析的材料、弹性模量、密度、泊松比参数，对有限元三维模型进行模态分析、瞬态分析和随机分析，并将分析结果在用户界面模块中显示。

进行模态分析时还需设置的分析参数包括：网格划分定义、最大频率阶数、最大频率；

进行瞬态分析时还需设置的分析参数包括：网格划分定义、振动激励谱；

进行随机分析时还需设置的分析参数包括：网格划分定义、随机载荷谱。

一种液压管路动应力仿真分析系统，本系统包括三维模型模块、用户界面模块以及有限元分析模块，其中，

三维模型模块用于对要分析的液压管路系统建立三维模型；

用户界面模块用于提取液压系统三维模型中的结构信息和材料信息并将其输送给有限元分析模块，以及显示分析结果；

有限元分析模块用于对三维模型进行简化重构，得到可用于分析的有限元三维模型。

本发明的优点：

本发明分析液压管路系统的模态和工作环境下的动力响应，预测系统的固有频率和振型，获得结构的整体变形和应力，校核结构关键部位的刚度和强度。并最终在统一的软件平台下，实现管路的参数化建模、自动分析和结构修改后的重分析，辅助实现结构的振动抑制。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明系统的原理框图。

具体实施方式

一种液压管路动应力仿真分析方法，本方法包括以下步骤：

第一步，建立液压管路系统三维模型。在三维模型模块中，根据液压系统的原理，布置和安装技术要求，设置相关参数，建立出完整的液压系统三维模型。

第二步，通过三维模型模块的二次开发能力，利用用户界面模块提取液压系统三维模型中的结构信息和材料信息。

结构信息包括：硬管的空间轴线、直径、壁厚、起点坐标；软管的空间轴线、直径、壁厚、起点坐标；管夹中心点相对于所在硬管的直管段与弯管段分界面的位置、管夹内径、宽度；卡箍中心点相对于所在硬管的直管段与弯管段分界面的位置，内径、宽度；管接头的与其相连的硬管或和软管的起点和终点坐标；支架的厚度、圆孔圆心位置。材料信息包括：硬管、管夹、卡箍、管接头以及支架的材料。

第三步，重构有限元模型。利用用户界面模块将第二步提取到三维模型的结构信息和材料信息输送给有限元分析模块，有限元分析模块对三维模型进行简化重构，得到可用于分析的有限元三维模型。

以下简化有助于提高仿真分析的速度又不影响其结果，简化重构包括：

将卡箍头部的倒圆角简化为直角；

将卡箍头部的两金属片贴合简化为一块；

将卡箍金属片外层橡胶边简化，只保留内层橡胶边；

将管夹的橡胶和金属片贴合简化为一块；

将固定螺栓简化为圆柱体；将管接头简化为圆筒；

将支架简化为薄板。

第四步，在有限元分析模块中，设置好分析的材料、弹性模量、密度、泊松比参数，对有限元三维模型进行模态分析、瞬态分析和随机分析，并将分析结果在用户界面模块中显示。

进行模态分析时还需设置的分析参数包括：网格划分定义、最大频率阶数、最大频率；

进行瞬态分析时还需设置的分析参数包括：网格划分定义、激励谱；

进行随机分析时还需设置的分析参数包括：网格划分定义、随机载荷谱。

一种液压管路动应力仿真分析系统，本系统包括三维模型模块、用户界面模块以及有限元分析模块，其中，

三维模型模块用于对要分析的液压管路系统建立三维模型；三维模型模块可为CATIA、Soildwork。

用户界面模块用于提取液压系统三维模型中的结构信息和材料信息并将其输送给有限元分析模块，以及显示分析结果；用户界面模块可采用Visual Basic6.0、Visual C++6.0实现，主要给用户提供管路系统不同材料的弹性模量、密度、泊松比的设置，控制有限元分析模块进行三种类型的分析，并查看和显示分析结果。

有限元分析模块用于对三维模型进行简化重构，得到可用于分析的有限元三维模型。有限元分析模块可为：模态分析、瞬态分析、随机分析。有限元分析模块可采用ANSYS来实现。

实施例：

以某型机的某个管路为例进行分析，某个在发动机短舱内的液压管路系统包括硬管、软管、管接头、卡箍、管夹、支架组成。

第一步，在发动机短舱内的液压管路系统模型，在功能上划分包含吸油管路、高压油管路、壳体回油管路。管路系统包含两段软管，两段硬管，三个卡箍。按照液压管路系统的原理，在CATIAV5软件里建立液压管路系统三维模型，并设置好材料属性。

第二步，通过三维模型模块CATIAV5软件的二次开发能力，利用用户界面模块VisualBasic6.0提取液压系统三维模型中的结构信息和材料信息。整体管长6162.4mm，管道内径12mm，硬管外径14mm，软管外径16mm，三个卡箍在其所在直管段上的偏移距离分别为270mm，625mm，230mm。硬管材料为0Cr18Ni9、软管材料为氟塑料、管夹材料为橡胶、卡箍材料为20#钢和橡胶、管接头45#钢，支架为20#钢。

第三步，利用用户界面模块Visual Basic6.0将第二步提取到三维模型的结构信息和材料信息输送给有限元分析模块ANSYS11.0，有限元分析模块ANSYS11.0对三维模型进行简化重构，得到可用于分析的有限元三维模型。

第四步，在用户界面模块Visual Basic6.0中，设置好分析的材料参数，硬管的弹性模量为199GPa、密度为7850Kg/m3、泊松比0.25；软硬管的弹性模量为2.8GPa、密度为2200Kg/m3、泊松比0.4；管接头的弹性模量为201GPa、密度为7810Kgm3、泊松比0.3以及卡箍、管夹、支架的这三个参数。通过Visual Basic6.0将这些参数输送给有限元分析模块ANSYS11.0。

在用户界面模块Visual Basic6.0中控制有限元分析模块ANSYS11.0，对有限元三维模型进行模态分析、瞬态分析和随机分析，并将分析结果在用户界面模块Visual Basic6.0中显示。

进行模态分析时还需设置的分析参数：使用SOLID185单元和FLUID30单元划分网格。其中SOLID185单元用于构造三维固体结构。单元通过8个节点定义，每个节点有3个自由度，分别为沿着X、Y、Z方向的平移。单元具有超弹性，应力钢化，蠕变，大变形和大应变能力。FLUID30单元用于模拟流体介质以及流体/结构相互作用问题，单元包含8个节点，每个节点有4个自由度，分别为沿着X、Y、Z方向的平移和一个压力自由度。最大频率阶数为22阶、最大频率2000Hz；

用户界面模块Visual Basic6.0中，可以查看模态分析的结果为：1阶固有频率为39.84Hz，振型描述：在硬管2的第2个转弯处有较大幅度的振动；2阶固有频率为42.06Hz，振型描述：在软管2处有较大幅度的振动；3阶固有频率为48.93Hz，振型描述：在硬管2的末端处有较大幅度的振动；4阶固有频率为57.46Hz，振型描述：在软管1处有较大幅度的振动；5阶固有频率为75.74Hz，振型描述：在硬管2的第3个转弯处有较大幅度的振动。再高阶次的频率不再一一列出。

进行瞬态分析时还需设置的分析参数：网格划分定义同模态分析、用户定义的振动激励谱；进行随机分析时还需设置的分析参数：网格划分定义、用随机函数产生的随机载荷谱。

用户界面模块Visual Basic6.0中，同样可以查看到瞬态分析和随机分析的结果。

Claims (8)

1.一种液压管路动应力仿真分析方法，其特征是，本方法包括以下步骤：

第一步，建立液压管路系统三维模型：在三维模型模块中，根据液压系统的原理，布置和安装技术要求，设置相关参数，建立出完整的液压系统三维模型；

第二步，通过三维模型模块的二次开发能力，利用用户界面模块提取液压系统三维模型中的结构信息和材料信息；

第三步，重构有限元模型：利用用户界面模块将第二步提取到三维模型的结构信息和材料信息输送给有限元分析模块，有限元分析模块对三维模型进行简化重构，得到可用于分析的有限元三维模型；

第四步，在有限元分析模块中，设置好分析的材料、弹性模量、密度、泊松比参数，对有限元三维模型进行模态分析、瞬态分析和随机分析，并将分析结果在用户界面模块中显示。

2.如权利要求1所述的一种液压管路动应力仿真分析方法，其特征是，本方法第二步中所述的结构信息包括：硬管的空间轴线、直径、壁厚、起点坐标；软管的空间轴线、直径、壁厚、起点坐标；管夹中心点相对于所在硬管的直管段与弯管段分界面的位置、管夹内径、宽度；卡箍中心点相对于所在硬管的直管段与弯管段分界面的位置，内径、宽度；管接头的与其相连的硬管或和软管的起点和终点坐标；支架的厚度、圆孔圆心位置。

3.如权利要求1所述的一种液压管路动应力仿真分析方法，其特征是，本方法第二步中所述的材料信息包括：硬管、管夹、卡箍、管接头以及支架的材料。

4.如权利要求1所述的一种液压管路动应力仿真分析方法，其特征是，本方法第三步所述的简化重构包括：将卡箍头部的倒圆角简化为直角；将卡箍头部的两金属片贴合简化为一块；将卡箍金属片外层橡胶边简化，只保留内层橡胶边；将管夹的橡胶和金属片贴合简化为一块；将固定螺栓简化为圆柱体；将管接头简化为圆筒；将支架简化为薄板。

5.如权利要求1所述的一种液压管路动应力仿真分析方法，其特征是，本方法第四步中进行模态分析时还需设置的分析参数包括：网格划分定义、最大频率阶数、最大频率。

6.如权利要求1所述的一种液压管路动应力仿真分析方法，其特征是，本方法第四步中进行瞬态分析时还需设置的分析参数包括：网格划分定义、振动激励谱。

7.如权利要求1所述的一种液压管路动应力仿真分析方法，其特征是，本方法第四步中进行随机分析时还需设置的分析参数包括：网格划分定义、随机载荷谱。

8.一种液压管路动应力仿真分析系统，其特征是，本系统包括三维模型模块、用户界面模块以及有限元分析模块，其中，

三维模型模块用于对要分析的液压管路系统建立三维模型；

用户界面模块用于提取液压系统三维模型中的结构信息和材料信息并将其输送给有限元分析模块，以及显示分析结果；

有限元分析模块用于对三维模型进行简化重构，得到可用于分析的有限元三维模型。