CN110805494A - 管形布局设计实现管路调频的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空发动机技术领域，提出一种管形布局设计实现管路调频的方法。该方法首先确定所述管路所在系统的脉冲频率；然后获取多个不同管形布局的管路一一对应的多组多阶参考固有频率；最后获取所述多阶参考固有频率在阈值范围内与所述脉冲频率均不相同的管路所对应的管形布局。相较于现有技术，在多种管形布局中选取完全不与发共计脉冲频率相同的参考固有频率对应的管路所对应的管形布局来实现管路调频，完全避开了共振，有目的性的选择管形布局，精度较高，且为之后的设计提供参考；无需刚度加固，只需要在改变管形布局使得管路的固有频率避开脉冲频率范围即可，减少了成本。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种管形布局设计实现管路调频的方法。
背景技术
航空航天飞行器的液压\燃油管路系统经常处于振动服役环境中，振源主要包括管内流体的脉动、以及外部机体(或设备)传递到管道上的激励。若这些激励的频率与管道的某阶固有频率相接近，会激发出管道结构对应固有频率下的主振动，引发共振导致管道结构的快速失效。将管道的固有频率错开激励频段范围是非常重要的。
目前工程上管路结构调频方法，仍然较多依赖经验，具有很大的盲目性，调频不准确，精度不够。
因此，有必要设计一种新的管形布局设计实现管路调频的方法。
所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术调频方法具有很大的盲目性，调频不准确，精度不够的不足，提供调频准确，精度较高的管形布局设计实现管路调频的方法。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
根据本发明的一个方面，一种管形布局设计实现管路调频的方法，包括：
确定所述管路所在系统的脉冲频率；
获取多个不同管形布局的管路一一对应的多组多阶参考固有频率；
获取所述多阶参考固有频率在阈值范围内与所述脉冲频率均不相同的管路所对应的管形布局。
在本公开的一种示例性实施例中，获取多个不同管形布局的管路一一对应的多组多阶参考固有频率，包括：
获取原有管道的第一管形布局以及所述第一管形布局所对应的初始固有频率；
根据所述第一管形布局修改管路的不同固有特性得到多种不同的第二管形布局；
获取多个所述第二管形布局的管路一一对应的多组多阶参考固有频率。
在本公开的一种示例性实施例中，选取所述多阶参考固有频率在阈值范围内与所述脉冲频率均不相同的管路所对应的管形布局，包括：
根据所述初始固有频率在所述参考固有频率中选取多组多阶目标固有频率；
获取所述多组多阶目标固有频率在阈值范围内与所述脉冲频率均不相同的管路所对应的管形布局。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述初始固有频率在所述参考固有频率中选取多个多阶目标固有频率，包括：
计算所述参考固有频率的变化幅度；
选取多个所述多阶参考固有频率中相较于所述初始固有频率变化幅度大于等于10％的多组多阶参考固有频率为所述多阶目标固有频率。
在本公开的一种示例性实施例中，计算参考固有频率的变化幅度，包括：
计算所述参考固有频率与所述初始固有频率的差值；
计算所述差值与所述初始固有频率的比值。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述第一管形布局修改管路的不同固有特性得到多种不同的第二管形布局，包括：
根据所述第一管形布局修改管路的弯曲半径得多种不同的第二管形布局。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述第一管形布局修改管路的弯曲半径得多种不同的第二管形布局，包括：
将所述第一管形布局的管路的弯曲半径扩大0.5倍得到所述第二管形布局。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述第一管形布局修改管路的弯曲半径得多种不同的第二管形布局，包括：
将所述第一管形布局的管路的弯曲半径缩小1倍得到所述第二管形布局。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述第一管形布局修改管路的不同固有特性得到多种不同的第二管形布局，包括：
根据所述第一管形布局区分面内、面外模态；
将所述第一管形布局的管路进行面内弯折得到所述第二管形布局。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述第一管形布局修改管路的不同固有特性得到多种不同的第二管形布局，包括：
根据所述第一管形布局区分面内、面外模态；
将所述第一管形布局的管路进行面外弯折得到所述第二管形布局。
由上述技术方案可知，本发明具备以下优点和积极效果中的至少之一：
本发明管形布局设计实现管路调频的方法，首先获取管路所在系统的脉冲频率与多个不同管形布局的管路一一对应的多组多阶参考固有频率，然后获取多阶参考固有频率在阈值范围内与脉冲频率均不相同的管路所对应的管形布局。相较于现有技术，在多种管形布局中选取完全不与发动机脉冲频率相同的参考固有频率对应的管路所对应的管形布局来实现管路调频，完全避开了共振，有目的性的选择管形布局，精度较高，且为之后的设计提供参考；无需刚度加固，只需要在改变管形布局使得管路的固有频率避开脉冲频率范围即可，减少了成本。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是本发明实施例中管形布局设计实现管路调频的方法的流程图；
图2是本发明实施例中直管的结构示意图；
图3是本发明实施例中L形管路的结构示意图；
图4是本发明实施例中Z形管路的结构示意图；
图5是本发明实施例中U形管路的结构示意图；
图6是本发明实施例中L形管路的一阶振型图；
图7是本发明实施例中L形管路的二阶振型图；
图8是本发明实施例中L形管路的三阶振型图；
图9是本发明实施例中L形管路的四阶振型图；
图10是本发明实施例中原管路的结构示意图；
图11是本发明实施例中增大原管路弯曲半径后的结构示意图；
图12是本发明实施例中减小原管路弯曲半径后的结构示意图；
图13是本发明实施例中空间三维管路通过分割产生面内、面外的示意图；
图14是本发明实施例中L形管路弯曲段面内外折后的结构示意图；
图15是本发明实施例中L形管路弯曲段面内内折后的结构示意图；
图16是本发明实施例中L形管路直管段面内外折的结构示意图；
图17是本发明实施例中L形管路直管段面内内折的结构示意图；
图18是本发明实施例中L形管路弯曲段面外弯折的结构示意图；
图19是本发明实施例中L形管路直管段面外弯折的结构示意图；
图20是本发明实施例中立体管原管路的结构示意图；
图21是本发明实施例中立体管弯曲段面内内折的结构示意图；
图22是本发明实施例中立体管直管段面内弯折的结构示意图；
图23是本发明实施例中立体管面外弯折的结构示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
一般情况下，系统功能、设备装置、结构形式等难以改变，而管形布局却具有较大灵活性。因此，通过修改管形布局来实现将管道的固有频率错开激励频段范围，是一种非常必要的防共振故障设计技术。但是，目前工程上管路结构调频方法，但是飞行器管路系统由于其固有的“位置受限”特性，工程中缺乏依靠管形布局来调整固有频率的技术，在面临通过改变管路布局走向来调整管路结构的固有频率特性时，具有很大的盲目性。
基于上述缺点，本发明提供一种新的管形布局设计实现管路调频的方法，参照图1所示，该管形布局设计实现管路调频的方法可以包括以下步骤：
步骤S110，确定所述管路所在系统的脉冲频率。
步骤S120，获取多个不同管形布局的管路一一对应的多组多阶参考固有频率。
步骤S130，获取所述多阶参考固有频率在阈值范围内与所述脉冲频率均不相同的管路所对应的管形布局。
相较于现有技术，在多种管形布局中选取完全不与发共计脉冲频率相同的参考固有频率对应的管路所对应的管形布局来实现管路调频，完全避开了共振，有目的性的选择管形布局，精度较高，且为之后的设计提供参考；无需刚度加固，只需要在改变管形布局使得管路的固有频率避开脉冲频率范围即可，减少了成本。
下面对上述步骤进行详细说明。
在步骤S110中，确定所述管路所在系统的脉冲频率。
在步骤S120中，获取多个不同管形布局的管路一一对应的多组多阶参考固有频率。
首先获取原有管路的第一管形布局以及第一管形布局对应的初始固有频率，根据第一管形布局修改管路的弯曲半径得多种不同的第二管形布局。
参照图2所示，弯曲管路布局时飞行器常用的管路敷设形式，甚至飞行器管路不允许使用直接1的直管2连接方案。一方面受制于飞行器狭窄的内部空间，另一方面，弯曲管路有助于缓解管路不精确安装、热胀冷缩等导致的额外应力的影响。
工程上经常需要面临在原有的管形布局的基础上进行调整管道结构的固有特性。所谓原有的管形布局基础上，即保持管道两端接口位置和方向不变，而且管道材料、管径、壁厚均不变动的前提下，若仅通过较小的布局改动来修改管路系统的固有特性，在这些条件限制下，本发明提出了以下几种布局修改方案。这里以最简单的一次弯曲的L形管作为第一管形布局为例，说明布局修改方法。其他的典型布局管路(因为Z形管、U形管为两次弯曲、空间管路为两次或多次弯曲)的原理与方法均与L形管相似。
若L形管两端接口位置固定，设管道的外径为D0，参照图10所示，L形原管路2弯曲半径为4倍的管道外径，即R1＝4D0；参照图11所示，可以将原管路第一管形布局中的弯曲半径增大0.5倍，即得到的第二管形布局的弯曲半径为6倍外径，即增大了弯曲半径的管形，得到L形大弯曲半径管路3；参照图12所示，可以将原管路第一管形布局中的弯曲半径减小一倍，即得得到的第二管形布局的弯曲半径为2倍外径，即减小了弯曲半径的管形，得到L形小弯曲半径管路4。
为了便于说明L形管路的弯曲半径对其固有频率的影响，模型中L形管的约束方式为两端固定，管径为8mm，壁厚为1mm，材料为不锈钢。这里仅对比前四阶固有频率。如表1所示。一阶振型为面外弯曲振动，增大弯曲半径后提高了L形管的面外刚度、缩短了管道总长，减少了质量。弯曲半径对L形管的一阶频率有显著影响，例如本例中当弯曲半径从4D0增大到6D0得到第二管形布局时，固有频率提高约为8.3％，当从4D0减小至2D0得到第二管形布局时，固有频率降低约为7％。但是，修改弯曲半径的措施对面内振动、以及高阶振动的固有频率的改善效果不显著。
表1弯曲半径对L形管路固有频率的影响
根据第一管形布局区分面内、面外模态，将第一管形布局的管路进行面内弯折以及面外弯折得到所述第二管形布局。
参照图2所示，弯曲管路布局时飞行器常用的管路敷设形式，甚至飞行器管路不允许使用直接的直管1连接方案。一方面受制于飞行器狭窄的内部空间，另一方面，弯曲管路有助于缓解管路不精确安装、热胀冷缩等导致的额外应力的影响。理论上讲，直管的横向振动可以发生在垂直于直管轴线的任意方向上，无显著的“面”的概念。但是，当布局形式由直管变为弯曲管路后，就出现了面内、面外的区分。
参照图3、图4和图5所示的L形、Z形、U形三种典型弯曲布局管路(这三种管形的选择与管路两端接头方向相关)。所谓“面内”是指弯曲后管路本身所在的平面，这里定义为Pipeline Plane，简记为PP，而所谓的“面外”，是指垂直于PP面的法向方向，这里定义为Normal Plane，简记为NP。
当管路弯曲布局后，振动形态就被区分出了面内和面外的振动状态，这对管路本身的固有特性的影响是非常关键。参照图6、图7、图8以及图9所示，其中虚线表示未发生振动位移的位置(原位置A1)，实线表示振动后的位移形态A2。图中，XOY平面为L形管所在平面(PP)，Z方向为垂直于XOY平面方向(NP)。可见，L形弯曲布局的管路结构，其固有振型有如下特点：一阶振型均为面外振动，二阶振型为面内振动，此后的高阶振型也是在面外、面内交替发生。这个现象在U形、Z形管路中同样存在。
参照图13所示，对于空间三维管道，这个定义仍然适用，因为三维管道可以视为由L形、Z形、U形等简单典型弯曲布局管路拼接而成，对应每一段的典型弯曲布局管路都有一个对应的面内(PP)、面外(NP)，如图3所示。这里根据不同三维管路的具体的分割形式，不同的面内、面外用符号定义为(PP1，NP1)，(PP2，NP2)。
将管道的弯曲部分向面内做一次弯折，面内弯折的方式有两种，这里以L形管为例，参照图14和图15所示，分别为弯曲部分面内外折L形管5，向管形外凸的方向和弯曲部分面内内折L形管6来得到第二管形布局。图中的弯折都是在管路本身所在平面(PP面)内完成的。
表2管道的弯曲段在面内弯折对固有频率的影响
表2为这两种弯折方式对结构前四阶固有频率的影响定量数据，可以看到，将管道的弯曲部分在面内弯折的布局方式，能够显著改变管路结构的面内、面外刚度。具体为，(1)若管路做面内外折，均能显著降低各阶固有频率(包括一阶频率)，下降幅度平均约为10％；(2)若管路做面内内折，可以显著提高一阶面内固有频率，提高幅度高达57.4％；其余各阶(二阶到四阶)频率均呈现大幅下降，下降幅度均超过30％。
将管道的弯曲部分做面内弯折，直管部分也可以弯折。是讲L形管的直管部分在面内做一次弯折。弯折的方式也包括两种方式参照图16和图17所示，分别为直管部分面内外折L形管7和直管部分面内内折L形管8。注意图中的弯折都是在管路本身所在平面(PP面)内完成的。
表3管道的直管段在面内弯折对固有频率的影响
表3为这两种弯折方式对结构前四阶固有频率的影响定量数据，可以看到，将管道的直管部分在面内弯折的布局方式，均呈现出面内、面外振动固有频率的降低，其中一阶频率降低的幅度约为10％，但是高阶频率约有22％～53％的显著降低，而且面内振动固有频率更加显著。而且，两种布局方式的前三阶固有频率均较为接近，面内内折的弯折方式略高于面内外折。
参照图18和图19所示，上述的三种方案都是通过管道在面内布局的修改，来实现管路系统调频。布局形式的修改还可以在面外来实施，所谓面外即垂直于L形管路自身所在平面，即垂直于L形管自身所在平面的方向,可以包括弯曲段面外弯折L形管9和直管段面外弯折L形管10。
表4管道向面外方向做弯折
表4为这两种面外调整方案对结构前四阶固有频率的影响定量数据，可以看到，将管道的直管部分在面外弯折的布局方式，均呈现出面内、面外振动固有频率的降低。弯曲段的弯折方案的固有频率略高于直管段的弯折方案。两种布局方式的前三阶固有频率均较为接近，而且，其中直管段外折方式呈现出所有布局中的最低一阶频率(328.35Hz)，较原管形的下降幅度为12.5％。而且，高阶频率的下降幅度也较大，约为30％～50％。
对上述提出的几种管形布局的修改方式，以及对应的得到的对接参考固有频率调整效果进行了梳理，并列于表5。能够看到不同的管形布局修改方式，对固有频率的调整规律和幅度均有所差别。
表5管形布局的修改方式对固有频率的调整效果的影响
从表5可以总结出大致的规律趋势如下：
(1)增大或减小弯曲半径：各阶固有频率均有小幅增大或减小，但改善幅度不显著。
(2)弯曲段面内外折：各阶固有频率均小幅下降。
(3)弯曲段面内内折：一阶频率提高，其余各阶大幅下降。
(4)直管段面内内折、直管段面内外折：两种方式前三节固有频率接近，一阶频率降低的幅度约为10％，高阶频率约有22％～53％的显著降低。
(5)直管段或弯曲段面外弯折：两种布局方式的前三阶固有频率均较为接近，各阶固有频率均大幅降低，其中直管段面外弯折出现最低一阶频率(面外振动)。
选取变化幅度大于10％的参考固有频率作为目标固有频率。
变化幅度的计算方法可以是首先计算参考固有频率与初始固有频率的差值；然后计算得到的差值与初始固有频率的比值得到变化幅度。
在上述方案中选取参考固有平率变化幅度较大的管形布局作为目标固有频率的管形布局，例如上述(3)、(4)和(5)，参考固有频率相较于初始固有频率的变化均较大。
骤S130中，获取所述多阶参考固有频率在阈值范围内与所述脉冲频率均不相同的管路所对应的管形布局。
下面通过一具体的实施方式来进一步说明。
在实际调频工作中的应用，需要合理利用表5所列的几种主要修改方案与相应的固有频率的变化关系和注意事项，根据具体的固有频率调整要求，作针对性的布局修改。
参照图20所示，本发明以一个任意三维管路11作为第一管形分布为例，来演示上述管路布局修改对固有频率的影响规律和特点。若要使管形布局修改出现较为明显的效果，可以舍弃对固有频率影响较小的布局方案，例如增大或减小弯曲半径、弯曲段面内外折方案；合并规律与趋势接近的方案，例如直管段面内内折、直管段面内外折两个方案结果接近，归类纳入到直管段面内弯折的方案中；例如直管段、弯曲段面外弯折两个方案结果接近，归类纳入到面外弯折的方案中。
首先在多组多阶参考固有频率中选取三组目标固有频率，然后在三组多阶目标固有频率中选取完全与脉冲频率不相同的一组木匾固有平率所示对应的管形布局来实现调频。
在上述5中管形布局中选择参考固有频率中相较于初始固有频率变化较大的参考固有频率作为目标固有频率，目标固有频率相较于初始固有频率的变化福大应当大于等于10％。
参照图21、图22和图23所示，若欲显著地改变管路结构的固有频率特性，可以采用的管形布局修改方案有弯曲段面内内折12(b)、直管段面内弯折13(c)和面外弯折14(d)这三种典型的修改方案。
上述四种管形对应的固有频率计算结果如表6所示。
表6空间三维管路及其修改方案的固有频率结果(单位Hz)
| 管形 | (a) | (b) | (c) | (d) |
| 一阶 | 158.54 | 171.68 | 143.59 | 125.05 |
| 二阶 | 250.20 | 264.54 | 207.81 | 218.98 |
| 三阶 | 291.64 | 354.36 | 264.70 | 265.02 |
| 四阶 | 540.63 | 513.88 | 367.91 | 313.75 |
| 五阶 | 619.64 | 591.28 | 454.56 | 455.66 |
| 六阶 | 1166.2 | 892.34 | 778.20 | 600.85 |
在三维管道应用方案(3)、(4)、(5)的变化趋势与L形管道的规律相似。例如：采用弯曲段面内内折方案，可以提高低阶固有频率(前三阶)，降低了高阶频率(四阶以上)。采用直管段面内弯折方案，各阶固有频率具有不同程度的下降，且二阶频率最低。采用面外弯折方案，各阶固有频率具有不同程度的下降，且一阶频率最低。
另一方面，考虑到航空柱塞泵100％功率下的压力脉动频率约为600Hz上下，原管形的第五阶固有频率为619Hz，与激励频率较为接近，需要进行防共振修改。上述几种管形布局修改方案中，方案(b)和(d)均有某阶固有频率与600Hz接近，因此为了避免共振引起的管路结构破坏，应优先选择方案(c)的管形修改方案。
上述所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中，如有可能，各实施例中所讨论的特征是可互换的。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。
本说明书中，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。
Claims (10)
1.一种管形布局设计实现管路调频的方法，其特征在于，包括：
确定所述管路所在系统的脉冲频率；
获取多个不同管形布局的管路一一对应的多组多阶参考固有频率；
获取所述多阶参考固有频率在阈值范围内与所述脉冲频率均不相同的管路所对应的管形布局。
2.根据权利要求1所述的管形布局设计实现管路调频的方法，其特征在于，获取多个不同管形布局的管路一一对应的多组多阶参考固有频率，包括：
获取原有管道的第一管形布局以及所述第一管形布局所对应的初始固有频率；
根据所述第一管形布局修改管路的不同固有特性得到多种不同的第二管形布局；
获取多个所述第二管形布局的管路一一对应的多组多阶参考固有频率。
3.根据权利要求2所述的管形布局设计实现管路调频的方法，其特征在于，获取所述多阶参考固有频率在阈值范围内与所述脉冲频率均不相同的管路所对应的管形布局，包括：
根据所述初始固有频率在所述参考固有频率中选取多组多阶目标固有频率；
获取所述多组多阶目标固有频率在阈值范围内与所述脉冲频率均不相同的管路所对应的管形布局。
4.根据权利要求2所述的管形布局设计实现管路调频的方法，其特征在于，根据所述初始固有频率在所述参考固有频率中选取多个多阶目标固有频率，包括：
计算所述参考固有频率的变化幅度；
选取多个所述多阶参考固有频率中相较于所述初始固有频率变化幅度大于等于10％的多组多阶参考固有频率为所述多阶目标固有频率。
5.根据权利要求4所述的管形布局设计实现管路调频的方法，其特征在于，计算参考固有频率的变化幅度，包括：
计算所述参考固有频率与所述初始固有频率的差值；
计算所述差值与所述初始固有频率的比值。
6.根据权利要求2所述的管形布局设计实现管路调频的方法，其特征在于，根据所述第一管形布局修改管路的不同固有特性得到多种不同的第二管形布局，包括：
根据所述第一管形布局修改管路的弯曲半径得多种不同的第二管形布局。
7.根据权利要求6所述的管形布局设计实现管路调频的方法，其特征在于，根据所述第一管形布局修改管路的弯曲半径得多种不同的第二管形布局，包括：
将所述第一管形布局的管路的弯曲半径扩大0.5倍得到所述第二管形布局。
8.根据权利要求6所述的管形布局设计实现管路调频的方法，其特征在于，根据所述第一管形布局修改管路的弯曲半径得多种不同的第二管形布局，包括：
将所述第一管形布局的管路的弯曲半径缩小1倍得到所述第二管形布局。
9.根据权利要求2所述的管形布局设计实现管路调频的方法，其特征在于，根据所述第一管形布局修改管路的不同固有特性得到多种不同的第二管形布局，包括：
根据所述第一管形布局区分面内、面外模态；
将所述第一管形布局的管路进行面内弯折得到所述第二管形布局。
10.根据权利要求2所述的管形布局设计实现管路调频的方法，其特征在于，根据所述第一管形布局修改管路的不同固有特性得到多种不同的第二管形布局，包括：
根据所述第一管形布局区分面内、面外模态；
将所述第一管形布局的管路进行面外弯折得到所述第二管形布局。
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