基于ANSYS的某型飞机液压管路应力测试①

史杰+胡文

摘 要：为了优化液压管路应力测试，减少测点数量，提高测试准确度，提出在应力测试前用ANSYS对管路进行受力分析，试验后用试验数据进行模型修正。通过对管路进行三维建模，将模型导入ANSYS，分析管路振动时应力分布，根据受力情况确定传感器的安装位置。后将测得的数据修正模型参数，通过模型计算最大应力。通过ANSYS优化应力测试，减少了传感器布置的数量，提高了测试的准确度。

关键词：应力测试 ANSYS 液压系统

中图分类号：V216 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（c）-0070-02

Stress Test of Hydraulic Tubing in Aircraft Based on ANSYS

SHI Jie HU Wen

（SCAFS of SADRI，COMAC，Shanghai 201210，China）

Abstract：In order to minimize the quantity of strain gauges and improve the accuracy in the stress test of hydraulic tubing.Stress analysis based on ANSYS before the test is proposed in this paper. The CATIA mockups of the hydraulic tubing are imported to ANSYS and the stress analysis is carried out by Workbench. The locations of sensors are optimized according to the calculated stress distribution. The data measured in the test is used to optimize the finite element model. The quantity of strain gauges used in the stress test can be minimized and accuracy can be improved in the field test by implementing the proposed method.

Key words：Stress test ANSYS Hydraulic system

飞机液压系统的变量柱塞泵由于其自身的结构以及油液的压缩性等因素存在着瞬时的流量脉动，由于实际流体的惯性和可压缩性，流量脉动引起压力脉动，形成沿管路传播的压力与流量脉动波。压力脉动会激励管路振动，当振动过大时，会使管路疲劳破坏，造成巨大的经济损失[1]。

在某型飞机液压系统试验中为了评估管路振动时应力水平，需要对管路进行应力测试，然而液压管路总长度长，布置复杂。如果采用传统的大面积粘贴应变片测试方法需要在管路上布置大量的应变片，而且应变片的粘贴需要耗费大量时间，而且大量应变片的安装会延长整个试验周期。

为了优化应变片的安装，减少测试的点位，采用有限元分析软件ANSYS，首先粗略计算对管路振动时的应力分布，在此分析基础上选取合适的点位进行应力测试，最后根据实测的应力数据，调整有限元模型，模拟真实应力情况。

1 有限元分析

ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。软件主要包括：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析等；后处理模块可将计算结果以图形、图表、曲线形式显示或输出。Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境。

由于ANSYS可以导入其他建模软件建立的三维模型，在管路的建模中使用CATIA软件对液压管路进行分段建模，按照实际管路的安装段。将建好的管路几何模型导入到ANSYS Workbench中，在Workbench中完成对几何模型进行网格划分，划分完网格的管路模型见图1。接着对管路模型施加约束，在管路的管夹处和接口处施加固定约束。

使用Workbench中的模态求解器（Modal）求解模态。求解管路振动时的模态是为了确认管路的固有频率没有和流体压力脉动的激振力耦合，造成破坏性的振动。由于高阶频率引起的振动位移很小，因此考虑前几阶模态，模态的计算结果见表1。

使用Workbench中的静力结构求解器（Static Structural）求解管路受力。用集中载荷施加在管路上，模拟导管受力弯曲，可得到导管受力变形时应力分布，见图2。虽然计算所得的结果不能直接反应真实应力水平，只是一个粗略的结果，但是对应变片的粘贴位置有指导作用。从图中可以看到，管路应力较大的区域在管接头附近和管路弯曲的地方，在粘贴应变片时应选择在这些地方进行粘贴。另外，由于管路弯曲的不规则性，应力分布也呈现不规则性，没有线性的规律可循，这就给管路应力测试带来了困难，因为粘贴应变片的地方不一定是管路中应变最大的地方。由此可见，要想评价管路应力，用试验数据修正理论计算，并估算最大应力的方法更可行。

计算流体压力造成的管路变形。在管路内壁施加压力，通过静力结构求解器求解可得管路受流体压力导致的变形。把计算所得的环向应力与实测的环向应力进行比较，用于调整模型参数。

2 应变测试

按照ANSYS中计算应力的分布情况，在管路上选取点安装应变片，由于在安装时位置存在误差，不一定能恰好安装在计算应力最大的位置，只是在计算应力最大点的附近，因此在安装的时候需要测量记录下应变片距离管接头处的距离，安装示意图见图3，一个测试点位上安装两片纵向应变片和一片环向应变片，用以测试不同方向上的应变。纵向和环向应变与应力的换算关系[2]为：endprint

（1）

（2）

式中为纵向应变，为环向应变，为泊松比，对于金属材料一般取0.3，为材料的弹性模量。

数据采集仪器采用PROSIG公司的P8048动态应变仪，该仪器配备48个测试通道，满足传感器数量多时的测试需求。内置的桥路设计，通过改变导线接法和软件的设置即可完成全桥，半桥或者1/4桥的配置。在测量液压管路的试验中，由于管路分布较广导致导线较长，为了补偿长导线电阻带来的桥路不平衡，选用了3线制1/4桥，在试验中采用DC耦合的方式采集数据。

首先在试验中测量管路的固有频率。用力锤敲击管路，使用应变仪采集应变信号。

随后采集系统工作时的动态应变数据，启动电动液压泵，对粘贴的应变片进行数据采集。测得的管路纵向应变信号如图4所示，横轴为时间，纵轴为信号幅值。由图可见，管路增压的时候出现大的应变阶跃，随后出现的高频的交变应变。

3 数据处理

通过处理锤击响应信号可得管路的固有频率，将此固有频率与计算的模态频率进行对比，可调整有限元模型的参数。将径向应变信号高通滤波后进行短时傅里叶变换，计算可得实测信号的频率变化，为电动泵产生的压力脉动的频率。将实测管路的固有频率和脉动频率进行比对，用于判定频率是否会耦合而发生共振。

对液压系统工作时的应变信号，首先对信号通过高通滤波器，滤除直流分量和低频信号分量，得到信号的应变的交变幅值，使用公式（1）（2），将应变幅值转换成应力幅值大小。由于管路的疲劳与交变的应力变化有关，因此在试验中更关心应力幅值的变化。

在ANSYS中定位管路实际测量点的位置，用实际测得的应力大小调整模型的加载，直至计算应力和实测应力相近，此时认为模型已经修正完毕，寻找模型中应力最大的点作为危险点。

4 结语

通过有限元软件ANSYS Workbench首先对管路进行受力分析，再根据应力分布选择应力测试的点位，减少了不必要应变片粘贴点位，节省了试验时间，最后根据测试点位的应力数据修正模型，找出最大应力点，理论计算和实际测试相结合，有一定的工程实用价值。

参考文献

[1] 潘陆原，等.飞机液压能源系统管路振动特性分析[J].机床与液压，2000（6）： 20-21.

[2] 唐永进.压力管路应力分析[M].北京：中国石化出版社，2003：32-33.endprint

（1）

（2）

式中为纵向应变，为环向应变，为泊松比，对于金属材料一般取0.3，为材料的弹性模量。

数据采集仪器采用PROSIG公司的P8048动态应变仪，该仪器配备48个测试通道，满足传感器数量多时的测试需求。内置的桥路设计，通过改变导线接法和软件的设置即可完成全桥，半桥或者1/4桥的配置。在测量液压管路的试验中，由于管路分布较广导致导线较长，为了补偿长导线电阻带来的桥路不平衡，选用了3线制1/4桥，在试验中采用DC耦合的方式采集数据。

首先在试验中测量管路的固有频率。用力锤敲击管路，使用应变仪采集应变信号。

随后采集系统工作时的动态应变数据，启动电动液压泵，对粘贴的应变片进行数据采集。测得的管路纵向应变信号如图4所示，横轴为时间，纵轴为信号幅值。由图可见，管路增压的时候出现大的应变阶跃，随后出现的高频的交变应变。

3 数据处理

通过处理锤击响应信号可得管路的固有频率，将此固有频率与计算的模态频率进行对比，可调整有限元模型的参数。将径向应变信号高通滤波后进行短时傅里叶变换，计算可得实测信号的频率变化，为电动泵产生的压力脉动的频率。将实测管路的固有频率和脉动频率进行比对，用于判定频率是否会耦合而发生共振。

对液压系统工作时的应变信号，首先对信号通过高通滤波器，滤除直流分量和低频信号分量，得到信号的应变的交变幅值，使用公式（1）（2），将应变幅值转换成应力幅值大小。由于管路的疲劳与交变的应力变化有关，因此在试验中更关心应力幅值的变化。

在ANSYS中定位管路实际测量点的位置，用实际测得的应力大小调整模型的加载，直至计算应力和实测应力相近，此时认为模型已经修正完毕，寻找模型中应力最大的点作为危险点。

4 结语

通过有限元软件ANSYS Workbench首先对管路进行受力分析，再根据应力分布选择应力测试的点位，减少了不必要应变片粘贴点位，节省了试验时间，最后根据测试点位的应力数据修正模型，找出最大应力点，理论计算和实际测试相结合，有一定的工程实用价值。

参考文献

[1] 潘陆原，等.飞机液压能源系统管路振动特性分析[J].机床与液压，2000（6）： 20-21.

[2] 唐永进.压力管路应力分析[M].北京：中国石化出版社，2003：32-33.endprint

（1）

（2）

式中为纵向应变，为环向应变，为泊松比，对于金属材料一般取0.3，为材料的弹性模量。

数据采集仪器采用PROSIG公司的P8048动态应变仪，该仪器配备48个测试通道，满足传感器数量多时的测试需求。内置的桥路设计，通过改变导线接法和软件的设置即可完成全桥，半桥或者1/4桥的配置。在测量液压管路的试验中，由于管路分布较广导致导线较长，为了补偿长导线电阻带来的桥路不平衡，选用了3线制1/4桥，在试验中采用DC耦合的方式采集数据。

首先在试验中测量管路的固有频率。用力锤敲击管路，使用应变仪采集应变信号。

随后采集系统工作时的动态应变数据，启动电动液压泵，对粘贴的应变片进行数据采集。测得的管路纵向应变信号如图4所示，横轴为时间，纵轴为信号幅值。由图可见，管路增压的时候出现大的应变阶跃，随后出现的高频的交变应变。

3 数据处理

通过处理锤击响应信号可得管路的固有频率，将此固有频率与计算的模态频率进行对比，可调整有限元模型的参数。将径向应变信号高通滤波后进行短时傅里叶变换，计算可得实测信号的频率变化，为电动泵产生的压力脉动的频率。将实测管路的固有频率和脉动频率进行比对，用于判定频率是否会耦合而发生共振。

对液压系统工作时的应变信号，首先对信号通过高通滤波器，滤除直流分量和低频信号分量，得到信号的应变的交变幅值，使用公式（1）（2），将应变幅值转换成应力幅值大小。由于管路的疲劳与交变的应力变化有关，因此在试验中更关心应力幅值的变化。

在ANSYS中定位管路实际测量点的位置，用实际测得的应力大小调整模型的加载，直至计算应力和实测应力相近，此时认为模型已经修正完毕，寻找模型中应力最大的点作为危险点。

4 结语

通过有限元软件ANSYS Workbench首先对管路进行受力分析，再根据应力分布选择应力测试的点位，减少了不必要应变片粘贴点位，节省了试验时间，最后根据测试点位的应力数据修正模型，找出最大应力点，理论计算和实际测试相结合，有一定的工程实用价值。

参考文献

[1] 潘陆原，等.飞机液压能源系统管路振动特性分析[J].机床与液压，2000（6）： 20-21.

[2] 唐永进.压力管路应力分析[M].北京：中国石化出版社，2003：32-33.endprint