航空飞行器用减压阀特性研究方法探析

杨星 严洪英

摘要：复杂的航空环境对航空器用减压阀的特性、振动、噪声及疲劳寿命特性等提出了更高的要求。本文针对目前国内外军用航空器用减压阀在设计和使用过程中的静、动态特性分析方法，以及振动、噪声和疲劳寿命设计等进行整理和分析，并针对我国目前航空器用减压阀疲劳寿命设计方法和疲劳损伤积累理论等进行综述。综合国内外发展历程和发展现状，数值仿真和工程计算技术的发展使得目前特性研究方法已经日渐成熟。

关键词：航空器;减压阀;特性;振动和噪声;疲劳寿命

Abstract：The complex aviation environment puts forward higher requirements on the characteristics， vibration， noise and fatigue life characteristics of aircraft pressure reducing valves. In this paper， the static and dynamic characteristic analysis methods， vibration， noise and fatigue life design of pressure reducing valves for military aircraft at home and abroad are sorted and analyzed， and the fatigue life design methods and fatigue damage accumulation theory of pressure reducing valves for aircraft in China are summarized. The development of numerical simulation and engineering calculation technology makes the characteristic research methods mature day by day.

Key Words： Aviation aircraft; Pressure reducing valve; Characteristic; Vibration and noise; Fatigue life

静态分析和动态分析是航空用减压阀特性分析的两个重要方面。目前，国内外学者通常从理论分析入手，通过仿真和试验相结合的手段对其进行研究。除特性研究之外，振动与噪声特性关系、疲劳寿命特性等也是评价减压阀性能的重要指标[1]。国内外专家对航空飞行器用减压阀进行了大量而丰富的研究。以沈涌滨[2-6]为代表的相关专家主要研究了结构参数的变化对航空飞行器燃油系统减压阀特性的影响，研究方法集中在仿真和实验的对比分析上。G.Licsko[7]、Sorli M[8]等人曾经通过建立相关的数学模型对其静、动态特性进行了研究，研究结果显式，介质冲击能够对其产生较大的影响，关键物理参数在负载情况下对其动态特性同样有着重要的影响[9]。

不难看出，目前所流行的针对单结构参数进行优化的方法难以找到影响减压阀特性的最优结构参数。

1减压阀特性

复杂多变的飞行环境使得航空飞行器在工作过程中对减压阀的特性提出了较为苛刻的要求[10]。一方面，在满足其静态要求的基础上要求其能够满足动态稳定性;另一方面，当减压阀受到冲击时，其動态平衡遭到破坏所带来的动态特性问题是工程实践中所必须重点关注的。如何能够保证减压阀动态稳定，关系着整个飞行器及飞行人员的安全。

1.1静态特性

输出压力满足其额定稳压精度、调节范围的性能和工作过程中的波动性是静态特性研究中具有针对性的两个研究方向，即所谓的调压范围和稳定性研究

尤裕荣[3][11]等在研究过程中发现，压力差、稳定判据及实验参数等对其静态特性均有着不同程度的影响;其中阀体内部摩擦力对其静态特性的影响尤甚。

刘建峰[12]、梁俊哲[13]等在研究过程中建立了相应的数学模型和仿真模型，并且通过试验、仿真对比预估了其静态可靠性，并且建立了减压阀固定节流孔和喷嘴挡板之间的节流面积公式。

1.2动态特性

减压阀动态特性是指其在失去原来平衡状态这一过程中，所表现出来的特性，系统动作和外界干扰是影响减压阀动态特性的两个重要因素[14]，因此，在减压阀动态工作过程中，各变量随时间变化就决定了整个系统的稳定性。

受工程计算能力的限制，20世纪70、80年代国内外减压阀动态特性研究主要集中在直动式减压阀的经典控制理论方面[15][16]。20世纪70年代以前，国外在设计上还没有可供使用的、成熟有效的方法，在其动态研究过程中还仅仅停留在数学建模上，相关研究工作仍有待开发。20世纪70年代以后，随着科学技术的发展和研究的不断深入，若干判定准则不断被提出。20世纪90年代以后，随着自然学科应用的发展，许多工程实际问题不断得到解决，对减压阀的研究分析不断向气体介质和复杂的导控式减压阀过渡，同时，综合理论和数值计算在减压阀动态特性研究中也取得了长久发展[17]。相比之下，我国从20世纪80年代开始有意识地着手减压阀特性的研究，到目前为止，虽然国内正在对其开展复杂的数学建模工作，但是仍处于起步阶段。开展动态特性的研究仍需要做大量的工作。

在具体研究上Dasgupta K[18]在导控式减压阀动态特性数值模拟过程中考虑了非线性影响因素，研究表明，阀体内部零件的同轴度及内部零件之间阻尼系数的存在是影响其动态特性的重要原因。相比之下，Maiti R[19]通过对阻尼孔等非线性影响因素的研究，利用仿真和试验数据的对比研究验证了相关Simulink模型的正确性，为对非线性影响因素的研究提供了参考依据。Gad.o[20]在对液压三通式减压阀的研究过程中，通过对非线性速度和排放系数的仿真和计算发现，影响减压阀动态特性的主要因素是节流孔的形状和尺寸。

陈晓琴[21]、张雪梅[22]等人建立了非线性动态数学模型，分析了减压阀的稳定性受过度时间和超调量的影响规律，同时分析了工作参数对动态特性的影响。

2减压阀流场仿真及振动与噪声

减压阀工作过程中的噪声来源于节流过程中湍流的产生[23]。减压阀口气流漩涡所带来的周期性相当激振力等于或接近阀体固有频率时便会引起共振，进一步引起湍流噪声;而喷注噪声的产生则来源于节流口气流旋涡的存在。主阀口与管系之间形成了共振腔结构，当声学频率和噪声频率相同时所产生的声腔共鸣则进一步加剧了声共振的强度。阀体内部的共振将严重影响减压阀的正常工作，降低减压阀的使用寿命。

国内外对减压阀内部噪声的研究起步较晚，并且缺乏系统的总结和理论支撑，早期的研究主要集中在成本高、耗时长的试验研究上。随着数值计算的发展，通过数值模拟对减压阀内部流场进行仿真分析，能够获取详细的内部流体流动信息，进而快速、准确地分析振动和噪声的来源与起因。

陈珉芮[24]借助Fluent软件，建立了k-ε和宽频噪声模型，对在直角形多级套筒式减压阀后设置降噪孔板的流道进行了数值模拟，在相同工况下，分析过热流体的流动情况及声功率级，研究了不同结构降噪孔板的降噪性能，为减压阀降噪措施的研究提供了新参考。王祖溫[25]等对阀振动的影响因素进行了详细研究，并提出了相应的改进措施。王冬梅[26]等则通过二维理论计算和定性分析的方法改进阀芯并以此来削弱阀门中的异常振动。

Lim S G[27]、Hos C[28]、Wei L[29]通过计算流体力学理论（CFD）模拟了声共振现象，证明了声场中不稳定的流体剪切层之间的相互激励作用加剧了声共振现象，揭示了分岔振荡失稳机理。同时，通过声比拟方法证明了阀体底部的多孔板能够有效减小噪声的产生。

3减压阀疲劳寿命

在航空阀体系统中，阀体内部金属膜片的感应压力和控制作用要求其在理想状态下能够保持全寿命。但是高温、变温工作环境使得金属膜片极易疲劳产生裂纹破损失效[30]。

3.1疲劳设计

疲劳寿命的定义来源于零构件在所受应力、应变作用下的裂纹扩展和最终断裂，载荷循环次数很好地评价了疲劳寿命情况。疲劳设计方法包括了名义应力法、局部应力应变法、损伤容限法和概率疲劳设计法等[31]。

3.1.1 名义应力法

将应力幅值作为设计参数并通过试样的名义应力循环次数来评价疲劳寿命称为名义应力法。该方法适用于应力水平较低并且循环次数较大的循环载荷作用下，需要对疲劳寿命进行系数修正，从而获得实际材料的疲劳寿命曲线。

3.1.2 局部应力应变法

该法是一种应用于循环次数较少的零构件的预测方法，并允许应力达到屈服极限，将应变过程中最大应力、应变作为设计参数，相等局部应力、应变情况下，疲劳寿命相同，进而得出ε-N疲劳寿命曲线。

3.1.3 损伤容限法

该方法承认零构件内部裂纹的存在并引入强度因子K来预估裂纹的扩展速率，确保下一次定期检查出现裂纹之前，零构件不会发生断裂破坏。

3.1.4 概率疲劳设计法

概率疲劳设计通过分析不同应力下的疲劳破坏概率从而得到零构件的设计可靠度，也称为可靠性设计。

3.2疲劳寿命

影响航空用减压阀疲劳寿命的因素有很多，随着现代计算机数值模拟技术的发展，目前国内外研究主要集中在表面状况、平均应力、形状因素、复合应力、尺寸大小、环境温度等方面[32]。

3.2.1 应力集中

应力集中的出现会在不同程度上降低零构件的疲劳寿命。而应力集中往往不可避免地存在于零构件的轴肩、孔、槽处。改进航空用减压阀的内部结构以减小应力集中对疲劳寿命的影响就成为了一个重要的研究方向。

3.2.2 表面质量的影响

受制造工艺的影响，零构件表面往往不可避免地出现裂纹，裂纹的存在严重地影响了零构件的表面质量进而影响其疲劳寿命，因此，表面质量是应力集中之外对零构件的疲劳寿命有着重要影响的另一个因素。

3.2.3 平均应力的影响

在变幅载荷的作用下，其平均应力成为了衡量零构件疲劳寿命的另一个重要因素，在相同幅度的变载荷作用下，平均应力越大，则零构件的疲劳寿命越短。而疲劳寿命曲线往往是通过标准试件在恒定应力的作用下得到的，需要进行应力修正才能对其进行准确评价。

3.2.4 加载频率的影响

5～300Hz（正常低频区）的加载频率会使零构件的疲劳极限降低，但此时频率的变化不会对其疲劳强度产生影响;当频率在300～100000Hz（高频区）时，零构件的发热量会随着其尺寸的增大而增加，但是这种发热量的增加会使得其疲劳极限轻微升高，当这种由于频率和零构件尺寸的增加而增加的热量引发零构件材料发生蠕变时将会对其疲劳寿命产生不良影响。

3.3疲劳损伤积累理论

航空用减压阀的疲劳损伤是指其在工作过程中受往复载荷的作用时其材料性能的衰减现象。

3.3.1 （双）线性积累疲劳损伤理论

零构件疲劳损伤的线性叠加作用理论来源于其在不同载荷下的损伤互不影响原理[33]。其中，Miner法则认为：假设零构件在某一载荷的作用下发生疲劳失效的循环次数为N，则每一次循环造成的疲劳损伤为1/N。若零构件仅受单一幅值载荷作用，则当累积总损伤为1时，发生疲劳失效。若零构件受m种幅值的载荷作用，第i种载荷下失效的循环次数为Ni，ni 为第i种载荷的实际循环次数，则累积总损伤为：

D=∑_（i=0）^m▒n_i/N_i

当总损伤与疲劳失效临界值Df相等时，零构件发生疲劳断裂。而双线性累积损伤理论则认为，在零构件疲劳失效过程中，裂纹萌生和裂纹发展两个过程中的线性累积，应当分别计算再累积处理。

3.3.2 非线性累积损伤理论

该理论认为，疲劳损伤与载荷的加载过程并非正相关关系且并不独立，载荷的加载顺序等能够影响疲劳损伤的发展态势[34]。Corten-Dolan理论和损伤曲线法能够很好地解释这一观点。

3.3.3 热力学疲劳损伤理论

该理论认为零构件的疲劳损伤是一个力、热作用下复杂的发展过程，力损伤和热损伤同时存在且相互影响，通过复杂的数学推导和计算能够建立其反应损伤发展的数学模型[35]。但因其复杂性，现阶段未能在工程实际中大范围推广。

4结语

随着计算流体力学、MATLAB/Simulink等数值仿真技术的发展和基础学科在工程计算中的应用，现代控制理论得以在航空阀体系统的特性研究中得到普及。目前研究正在向着数值仿真、动画模拟和虚拟现实的研究方向发展。

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