复杂激励下飞机载流管道系统振动疲劳分析技术研究

本项目针对工作状态下的飞机载流管道系统，考虑其受到非平稳激励和流固耦合的共同影响，导致系统固有动态特性发生改变，且管道响应也具有非平稳非线性时变特征，拟采用时频域方法对成份复杂的管道响应信号进行分析，研究载流管道振动疲劳分析技术以及各种因素引起的流体不稳定流动对管道振动疲劳寿命的影响，探索出一种实用的载流管道振动疲劳损伤/寿命估计方法，为维修和设计人员提供参考，更加有效地避免载流管道系统故障，保障飞机飞行安全。本项目的特色：流固耦合系统在内外非平稳工作载荷作用下，不仅固有动力学特性不同于无流体和非工作状态，而且流体不稳定流动会导致管道结构受载状况和固有动力学特性都具有时变特征，管道结构应力同受载频率的关系更加复杂。本项目创新性：研究内容上首次考虑流固耦合中流体不稳定流动引起结构和流体动力学特性的改变对管道振动疲劳寿命的影响，研究方法上首次将时频域法用于考虑流固耦合影响的结构振动疲劳分析。

研究背景及意义：一方面，现实中工作状态下的飞机载流管道系统不可避免地存在管道结构同内部流体的相互耦合作用，另一方面，不可避免地受到多种成分复杂激励的作用，例如基础结构传过来的各种随机载荷、系统内部如泵、阀等工作引起的脉动载荷，造成载流管道系统的振动响应成分更加复杂，具有时变特征，结构应力也不同于非工作状态和没有流体耦合的情况，振动疲劳寿命必然有所不同。现有的振动疲劳寿命分析方法主要有时域和频域两种，时域法所需数据量大，效率低；基于响应功率谱密度的频域法要求信号平稳，频率不随时间改变，对于具有时变特征的响应无能为力。本项目提出采用适合于非平稳时变响应的时频分析方法来研究载流管道的振动疲劳寿命，更好地为维修和设计人员提供参考，更加有效地避免载流管道系统故障，保障飞机飞行安全。本项目采用的时频分析方法主要包括：短时傅立叶变换（SFFT）和HILBERT-HUANG变换（HHT），主要研究内容及结果包括：1.掌握了识别复杂载荷激励下的流固耦合系统动力学固有特性方法。本项目并非仅把流体当作施加在管道结构上的外载荷，而是真正考虑流固耦合相互作用，既包含流体对结构动力学特性的影响，也包括结构对流体动力学特性的影响，研究了考虑流固耦合影响的管道振动方程及其求解，以及采用时频信号处理技术对包含非平稳复杂成分的响应进行处理和分析，识别出了系统各阶模态。2.掌握了利用复杂响应应力的时频谱对结构进行振动疲劳分析的方法。目前大量使用的振动疲劳分析方法是时域和频域法，对于非平稳具有时变特性的系统，采用时频信号处理方法是最合适的。本项目对得到的响应信号首先进行时频谱分析，然后对时间进行积分，得到类似于频域功率谱密度的能量谱，对载流管道结构做了振动疲劳分析。3.掌握了多种因素（如流速、流体压力、温度、脉动频率、管道几何参数等）对载流管道结构振动疲劳寿命的影响特点，得到的具体结论如下：管道结构和流体温度越高，管道结构振动疲劳寿命越短；脉动频率越高，管道结构振动疲劳寿命越短；液体流速越高，管道结构振动疲劳寿命越短；液体压力越高，管道结构振动疲劳寿命越短；管道越长，管道结构振动疲劳寿命越短；管道越细，管道结构振动疲劳寿命越短；管道壁越薄，管道结构振动疲劳寿命越短；多种激励下，管道结构振动疲劳寿命比单一激励下短且短很多，并不是简单的叠加关系。