飛機典型液壓管路系統(tǒng)減振優(yōu)化計算方法研究

黃虎，閔強, 張保強，王用巖

（1.中國航空工業(yè)集團公司 成都飛機設計研究所，成都 610091；2.廈門大學 航空航天學院，福建 廈門 361005）

飛機液壓系統(tǒng)主要有液壓油、液壓能源裝置（液壓泵、應急泵等）、控制裝置（閥門、調(diào)節(jié)器等）、執(zhí)行裝置（作動器、馬達等）、液壓油箱、液壓管道、蓄壓器和油濾等液壓元件裝置組成，液壓系統(tǒng)主要通過支撐卡箍固定在飛機機體結(jié)構(gòu)上（如圖1 所示）。錯綜復雜的飛機液壓管道系統(tǒng)是液壓系統(tǒng)動力傳輸?shù)闹饕ǖ溃鼘⒏鞣N元件和裝置連接起來，傳輸高壓高速的流體，實現(xiàn)飛機能量的轉(zhuǎn)換、傳遞、分配和控制。

圖1 飛機典型液壓系統(tǒng)及機體支持結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Typical hydraulic system of aircraft and its supporting structure style

高壓力的液壓系統(tǒng)可以大幅度提高操縱效率、降低質(zhì)量、減少體積，但是飛機液壓系統(tǒng)壓力的提高，會直接要求飛機液壓泵的功率增強，液壓泵輸出壓力的脈動變大，同時液壓泵自身的振動也會變大。因此，泵源高頻大流量強迫振動、控制與執(zhí)行元件的動作引起的壓力脈動、飛機與發(fā)動機結(jié)構(gòu)外部給液壓系統(tǒng)的振動激勵、管道內(nèi)非定常流引起的流體振動等因素耦合導致了液壓系統(tǒng)內(nèi)部、外部激勵加劇，并造成結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的性能提前下降、失效和破壞。這些都給高可靠長壽命的液壓系統(tǒng)的設計、制造和安全服役帶來嚴峻的考驗。

文獻[1-2]研究了系統(tǒng)在隨機激勵下的動響應分析，隨機激勵下動力系統(tǒng)的機構(gòu)優(yōu)化方法。胡海濤[3]分析了隨機加載條件下鋁合金加筋板的疲勞行為，提供了完整的隨機振動分析流程。閔強等[4]以某飛機液壓管路為例，進行了詳細的強度設計分析。文獻[5-8]利用商業(yè)有限元仿真軟件，分析了管道及管路系統(tǒng)耦合振動。許覓婷[9]以桁架結(jié)構(gòu)為例，采用遺傳算法對其進行了優(yōu)化設計，并提出了安全性評價方法。

文中對飛機典型液壓管路系統(tǒng)及其在機體結(jié)構(gòu)上的安裝進行了結(jié)構(gòu)動力學參數(shù)化建模， 使用MATLAB、MSC.PATRAN 和MSC.NASTRAN 構(gòu)筑了基于遺傳算法的自動減振優(yōu)化計算平臺，以管壁結(jié)構(gòu)和飛機支持結(jié)構(gòu)在飛機典型隨機振動環(huán)境激勵下的動態(tài)應力響應最小為優(yōu)化目標，對管路走向（包括拐折位置、曲率半徑）、卡箍位置進行優(yōu)化計算，從而獲取和驗證了飛機管路系統(tǒng)設計中的優(yōu)化計算方法。

1 減振優(yōu)化計算平臺總體思路

為了真實模擬試驗件的動力學特性，并最終通過參數(shù)優(yōu)化實現(xiàn)減振設計，首先需要對管路及其支持結(jié)構(gòu)進行細節(jié)動力學有限元建模，如圖2 所示。在此模型基礎上，通過改變PCL 控制文件中的模型優(yōu)化參數(shù)，調(diào)用MSC.PATRAN 自動更新動力有限元模型，實現(xiàn)系統(tǒng)動力學的參數(shù)化建模，并使用MATLAB 程序語言自動實現(xiàn)優(yōu)化參數(shù)的定義和參數(shù)化建模的驅(qū)動。最終利用其中的遺傳算法工具完成建模、計算、改變參數(shù)、更新模型直至計算收斂到最優(yōu)的參數(shù)組合的優(yōu)化全過程。減振優(yōu)化計算平臺的總體計算流程如圖3 所示。

圖2 管路優(yōu)化整體有限元模型Fig.2 Overall finite element method (FEM) of optimization of the pipeline system

圖3 減振優(yōu)化計算平臺計算流程Fig.3 Calculation flow chart of the vibration reduction optimization calculation platform

2 系統(tǒng)動力學參數(shù)化建模

MSC.PATRAN 提供了調(diào)用PCL 語言的控制文件自動生成模型的工具，因此在參數(shù)化建模過程中，首先通過創(chuàng)建建模過程的PCL 文件，再通過程序修改其中的優(yōu)化參數(shù)，最后調(diào)用PATRAN 來自動生成優(yōu)化后的動力學有限元模型。

2.1 建模過程

1）導入初始模型。由于只有管道部分需要參數(shù)化建模，因此加筋壁板以及管道兩端在建模過程中直接導入，其初始模型如圖4 所示。

圖4 導入?yún)?shù)化模型中的初始模型Fig.4 The initial model that is imported in the parametric model

2）繪制管路曲線。根據(jù)管道尺寸，創(chuàng)建管路曲線，如圖5 所示。

圖5 創(chuàng)建管路曲線Fig.5 Creating the pipe curve

3）移動中間卡箍角片，將建立好的中間卡箍組平移至管道對應位置。

4）創(chuàng)建管道和卡箍及卡箍和筋條的連接。

5）劃分管路網(wǎng)格，如圖6 所示。

圖6 劃分管道曲面網(wǎng)格Fig.6 Meshing the pipe curved surface

6）為模擬管路中油液質(zhì)量的影響，創(chuàng)建流體附加質(zhì)量點。

7）檢查模型網(wǎng)格、屬性，提交計算。

2.2 修改PCL 文件

對上述建模過程中生成的ses 文件進行修改，其主要步驟如下：

1）刪除ses 文件中以$#開頭的語句。

2）在文件最開始寫函數(shù)定義的語句：Function No1_tube_shell（）。

3）將參數(shù)化的優(yōu)化變量聲明為全局變量，如圖7 所示。

圖7 在PCL 文件中聲明全局變量Fig.7 Declaring global variables in PCL document

4）找到涉及參數(shù)化變量的建模語句，將里面的數(shù)值用全局變量字母或表達式替換。

5）將ses 文件中的定義變量的語句（以STRING、INTEGER、REAL 等開頭的語句）提前，并刪除重復定義的語句，避免調(diào)試出錯。

6）為了重復建模過程，屏幕不閃晃，可以將建模過程中移動、旋轉(zhuǎn)、縮放模型的語句去除，即把以ga_view_開頭的語句刪掉。

7）在文件的末尾加上語句：END Function。

8）將修改好的ses 文件另存為tube_model.pcl，以備后續(xù)建模調(diào)用。

3 減振優(yōu)化計算

3.1 優(yōu)化流程

以管道上的最大應力均方根值最小為目標，對管道的尺寸進行優(yōu)化。管道幾何尺寸如圖8 所示。由于管道關(guān)于卡箍2 位置對稱，因此優(yōu)化參數(shù)可以縮減，包括管段1 長L1，管段2 長L2，以及兩處彎管的曲率半徑R1和R2。

參數(shù)的范圍及初始值見表1，除了參數(shù)上下限的約束之外，參數(shù)之間也存在額外的約束，其關(guān)系如下：

圖8 管路幾何尺寸Fig.8 Geometric dimension of pipe

表1 參數(shù)范圍及初始值Tab.1 Ranges and initial values of parameters

采用遺傳算法進行優(yōu)化，由于參數(shù)之間存在相互約束，因此需要對目標函數(shù)進行一定的罰處理，其中FEA_para_tube_ga 為調(diào)用Patran 和Nastran 進行建模計算的函數(shù)。

3.2 優(yōu)化計算結(jié)果

在加速度激勵水平為10g條件下，進行初始優(yōu)化計算，遺傳算法尋優(yōu)。經(jīng)過34 代計算后，程序終止，輸出所有參與計算的參數(shù)迭代結(jié)果以及目標值迭代結(jié)果，如圖9 和圖10 所示。可以看出，計算結(jié)果已收斂，最大Mises 應力值由初始的29.33 MPa 降至14.76 MPa。利用式(4)可將優(yōu)化前后的響應值變化量轉(zhuǎn)化為dB，其中，Y1、Y2分別代表優(yōu)化前、后響應的值。將本算例的計算結(jié)果代入式(4)中，得到最大應力值應力降低了–5.96 dB（50%）。

優(yōu)化后L1、L2、R1、R2的值分別為426.82、375.46、129.946、45.72 mm。優(yōu)化前后參數(shù)的對比見表2，優(yōu)化前后整體有限元模型如圖11 所示。優(yōu)化前后模型的應力、加速度云圖見圖12—15。

圖9 參數(shù)迭代結(jié)果Fig.9 Parameter iteration results

圖10 目標值收斂圖Fig.10 Target value convergence diagram

圖11 優(yōu)化前后模型對比Fig.11 Comparison of models before (a) and after(b) optimization

表2 優(yōu)化前后參數(shù)對比Tab.2 Comparison of parameters before and after optimization

圖12 優(yōu)化前后整體模型應力云圖對比Fig.12 Comparison of overall model stress contour plots before (a) and after (b) optimization

圖13 優(yōu)化前后整體模型加速度云圖對比Fig.13 Comparison of overall model acceleration contour plots before (a) and after (b) optimization

圖14 優(yōu)化前后管道部分應力云圖對比Fig.14 Comparison of the pipe part’s stress contour plots before (a) and after (b) optimization

圖15 優(yōu)化前后管道部分加速度云圖對比Fig.15 Comparison of the pipe part’s acceleration contour plots before (a) and after (b) optimization

4 結(jié)論

文中結(jié)合商用有限元軟件Patran 和Nastran，基于Matlab 語言，建立了基于參數(shù)化建模和遺傳算法的管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力學優(yōu)化計算平臺，并提出了優(yōu)化計算流程。使用文中建立的減振優(yōu)化計算平臺優(yōu)化計算設計后，飛機典型液壓管路系統(tǒng)最大動態(tài)應力值降低了50%，實現(xiàn)了飛機高壓管路系統(tǒng)減振動力學響應計算與優(yōu)化設計。