“机体-卡箍-管路”的合成耦合动力学机理及匹配设计方法

The pipeline of aircraft may not only exist the phenomenon of fluid - solid coupling between fluid pulsation and pipe, but also the appearance of vibration coupling between pipe and elastic thin frame. This "synthetic coupling" is often the hidden mechanism for vibration failure of pipeline. This project regards the " frame-clamps-pipe " as the basic structural unit. The "synthetic coupling" is decomposes into the shell-beam coupling and the fluid-solid coupling. Through the relationship between the movements and forces of the hoop, synthetic mechanism of the two coupling can be established. Then，through the contrast experiments of non resonance, only pipe resonance, only frame resonance, and double resonance (frame and pipe occur resonance at the same time) under different excitation sources. The structural parameters (pipe shape, clamp position, etc.) and the excitation factors (the fluid pulsation and the vibration of the frame) on the "frame-clamps-pipe" response can be tested. The matching mechanism of the pipe-clamp on the structure’s frequency modulation and the effect on "synthetic coupling" is revealed. Based on the synthetic coupling dynamic model of "frame-clamps-pipe" unit, which established by the multi dynamic stiffness matrixes assembling algorithm, the model matching design method of "frame-clamps-pipe" structure considering "synthetic coupling" effect is established, which can be reduce the adverse effects of "synthetic coupling". Multi order resonance frequency avoiding and structural dynamic stress reduction can be realized. The project will reveal the new mechanism of vibration failure for aircraft pipeline system, and provide a new method of matching design for pipeline structural vibration control.

飞行器管路系统不但与管内高压流体之间存在流固耦合，还与弹性薄壁机体之间存在振动耦合，这种“合成耦合”经常是管路结构振动失效的隐藏诱因。本项目将“机体-卡箍-管路”视为基本结构单元。将“合成耦合”分解为“机体-管路”之间的壳-梁耦合和“管路-流体”之间流-固耦合，再建立两种耦合在卡箍处的合成机制。然后，通过不同激励源下的非共振、管共振、机体共振、以及双共振（即机体管路同时处于共振态）对比实验，研究结构参数（管形、卡箍位置等）和激励因素（管内流体脉动和机体本身振动）对“机体-卡箍-管道”响应差异，揭示管形-卡箍的匹配机制对“合成耦合”效应的影响规律。基于组集方法建立合成耦合动力学模型，建立考虑“合成耦合”效应的“机体-卡箍-管道”结构的匹配设计方法，降低“合成耦合”的不利影响，实现多阶错频和降低振动。项目研究成果将揭示飞行器管路系统振动失效的新机制，为结构振动控制提供匹配设计的新方法。

液压燃油各种管路是飞行器的动力传输系统，它由最基本的管路、卡箍以及其它附件组成并约束在机体结构上。项目研究了“机体-卡箍-管路” 典型结构在服役环境下振动响应的 “合成耦合”机制。提出了相应的动力学模型、仿真方法和振动控制方法，并完成了试验验证。.项目首先采用“Z形管路-卡箍-平面简化机体”试验和仿真，研究了卡箍处管路和平板的应力状态和变形，然后完成了不同激励下动力学响应特性，再将对象拓展至曲面情形。在建模方法上，将这种“合成耦合”分解为“机体-管路”之间的壳-梁耦合和“管路-流体”之间流-固耦合，再通过卡箍处运动和力的关系，建立两种耦合的合成机制，建立了基于组集方法的复杂管路的“合成耦合”动力学模型。.进一步通过单源激励和组合激励的对比试验，研究了管形、弯曲角度、卡箍位置等结构参数和管内流体脉动和机体本身振动激励（不同幅值和频率）时管路加速度和动态应力响应差异，建立了激励源分析方法，获得了一阶共振、二阶共振、组合共振以及非共振状态下的响应规律和仿真方法。.最后，通过动力学灵敏度分析揭示管形-卡箍的匹配机制，针对复杂管路系统结构进行动力学优化设计，针对复杂管路系统中的卡箍位置、管形等参数实施多目标寻优，同时实现多阶错频（发动机、液压泵不同的运行频段）和降低结构动应力（分别超过90%和50%），降低了原“合成耦合”带来的不利影响。项目成果已经成功应用于某型飞机液压系统四通管路的故障机理分析和改进措施。为飞行器液压系统结构振动控制提供了“机体-卡箍-管路”匹配设计的新方法。