某型APU供油管道模态分析

陈振中，张 弛，王璐璐，王 震

(1.沈阳航空航天大学 民用航空学院，沈阳 110136；2.中国南方航空股份有限公司 沈阳维修基地，沈阳 110000)

0 引言

供油管道是飞机辅助动力装置(APU)中的重要零部件，工作状态下管道中燃油的流动会产生振动，进而引发管道螺栓连接件振动，造成螺母与螺栓之间的螺纹连接产生松动，导致螺母中螺纹的疲劳损伤，降低管道螺母的使用寿命。

祖卫华等人运用ANSYS软件对管壁板结构进行特性分析，通过增加管道约束的方式，提高整体结构各阶自振频率，有效地避开了工作频率范围。李少静等人在流固耦合作用下对管道进行模态分析，得到管道固有频率和振型图。康力等人对航空发动机多个位置的外管路进行振动响应分析，得出各个部位管道各异振动特征。吕彪等人研究航空发动机供油管道裂纹，认为管道裂纹为高周疲劳裂纹。国内外学者对航空发动机上的管道振动特性研究较多，对于飞机APU供油管道研究较少。APU在实际使用中经常发生供油管路振动，进而引起供油管路接头螺纹损伤，因此对APU供油管道进行模态分析，给出供油管道的固有频率及振型，对研究管道连接接口疲劳损伤具有重要价值。

1 三维建模及数值模拟

1.1 三维建模

本文利用SolidWorks软件对APU供油管道进行1：1等比例建模，导管三维模型如图1所示。管道的材料为钛合金Ti-3Al-2.5V，密度为4 620 kg·m。在ANSYS DM模块中建立流体模型，选中管道内壁，在Fluent模块中利用“fill”命令生成流体，设定材质为液体燃油Gasoil Liquid，密度为770 kg·m，流体模型如图2所示。

图1 导管三维模型

图2 流体模型

APU中供油管道种类多种多样，本文利用SolidWorks软件对其中一种型号进行等比例三维实体建模，然后运用Workbench软件对管道进行仿真分析，最终得出管道的振型特点。

1.2 流固耦合及模态分析

流固耦合力学是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者相互作用的一门科学。为了计算燃油与管道之间的相互作用，本文采用流固耦合进行供油管道的模态分析，因为管道变形很小，所以使用Fluent模块与静力学模块Static Structural连结组合成的单向流固耦合模块，在Fluent模块中计算流体模型在流经管道产生的压力，然后在静力学模块Static Structural中计算管道受流体影响产生的应力载荷。

1.2.1 流体模型数据计算

采用扫掠法sweep method对流体模型进行网格划分，设置流体进出口，对进口面设定8层边界层，网格类型设置为三棱柱，并对进口面设定网格大小为1 mm，共生成214 901个节点，277 140个单元，流体网格划分如图3所示。根据APU供油管道实际维修数据，在Fluent模块中设置管道内压强为1.379 MPa，燃油流量0.025 2 kg·s，流速0.014 2 m/s。由于管道出口唯一，根据进口流速和压强设置出口边界条件为自由流出，流出量权重设置为1。计算得到残差图如图4所示，从残差图可以看出各参数收敛曲线随计算步数的增加而降低，最后趋于平缓，说明流体计算收敛，可导入管道进行下一步计算。

图3 流体网格划分

图4 残差图

通过CFD-Post软件得到流体流速矢量图如图5所示，从矢量图可以看出流体流速在管道中间会更快，并且在管道弯曲处流速增加。

图5 流体流速矢量图

1.2.2 静力学模块计算及模态分析

在模型中对供油管道采用六面体网格划分，设置网格单元大小为1 mm，对于管道弯曲部分进行面映射网格划分，共生成144 900个节点，26 310个单元，管道网格划分如图6所示。将Fluent中流体对管道产生的载荷设置压力导出，设置边界条件：由于管道较短，管道之间只有在接头处的螺母固定，所以在接头处设置为固定支点，然后进行静力学分析，得出管道在流固耦合状态下的载荷分布。

图6 管道网格划分

在静力学模块中进行模态分析，得到管道固有频率如表1所示，管道前六阶振型图如图7所示。从表1中可以看出前三阶固有频率平稳增长，第四阶到第六阶固有频率出现跳跃式增长。最大变形主要在管道中间弯曲处，其中第三阶和第五阶变形最大；第一阶振型中管道主要沿着轴方向变形，第二阶振型中管道主要沿着轴方向变形，第三阶振型中管道主要沿着轴和轴方向变形，四到六级阶振型管道变形并无明显规律。

图7 前六阶振型图

表1 固有频率

2 结论

本文通过SolidWorks软件对某型APU供油导管进行三维建模，在ANSYS Workbench软件中进行流固耦合分析，得到供油状态下管道的固有频率和前六阶振型。研究结果表明第一阶振型中管道主要沿着轴方向变形，第二阶振型中管道主要沿着轴方向变形，第三阶振型中管道主要沿着轴和轴方向变形，四到六级阶振型管道变形并无明显规律；管道变形主要发生在管道中间弯曲处，其中第三阶和第五阶振型变形最大。