溫度場對活塞式蓄能器性能影響的仿真分析*

付 月,趙 程,趙翹楚，槐艷艷

(沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110850)

0 引 言

飛機的液壓系統(tǒng)是飛機安全性和可靠性的保障。活塞式蓄能器是其液壓系統(tǒng)中一種液壓能儲能裝置，一方面通過蓄積壓力能，作為系統(tǒng)備用能源以應對不時之需；另一方面可以吸收壓力沖擊或減輕油路中的壓力波動。活塞式蓄能器的功能失效將直接影響到液壓附件的使用壽命，而且對于飛機整個液壓系統(tǒng)也會產(chǎn)生非常不利的影響，嚴重的甚至直接危及飛行安全[1]。活塞式蓄能器的正常工作是飛機液壓系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)設計是否滿足強度要求是必須考慮的問題，尤其面對現(xiàn)代飛機性能越來越好、飛行環(huán)境越來越嚴酷的形勢下，研究溫度場的改變是否會影響活塞式蓄能器的結(jié)構(gòu)性能，越來越值得關(guān)注。

一些研究學者針對液壓系統(tǒng)中氣囊式蓄能器的關(guān)鍵性能參數(shù)進行了研究。王紀森等[2]首先建立了含蓄能器液壓試驗臺的理論模型，并結(jié)合軟件進行仿真分析得出，蓄能器體積、預充氣壓力、連接管路通徑和長度都是主要的影響參數(shù)；李明杰等[3]針對該類型蓄能器，在理論分析基礎上，采用計算機仿真與試驗驗證相結(jié)合方法，定量化給出了蓄能器主要性能參數(shù)對液壓系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，為蓄能器的合理選擇提供了參考和依據(jù)；鄭占君[4]針對民機剎車系統(tǒng)中的蓄能器展開研究，通過建立數(shù)學關(guān)系模型，采用理論方法分析了蓄能器的應急剎車能力，該方法可作為產(chǎn)品設計之初判定結(jié)構(gòu)是否滿足設計要求的一種有效的鑒定方法。

針對飛機液壓系統(tǒng)中的活塞式蓄能器，考慮到飛機飛行時存在不同溫度環(huán)境間的轉(zhuǎn)變，筆者采用仿真分析手段，針對不同溫度環(huán)境轉(zhuǎn)變情況進行溫度場計算工況的分析。在此基礎上，對不同的溫度場工況，分別進行了強度仿真分析，比較了不同工況下，溫度場的改變對于活塞式蓄能器性能影響的規(guī)律曲線，為活塞式蓄能器結(jié)構(gòu)設計提供了參考和依據(jù)。

1 活塞式蓄能器的工作原理

活塞式蓄能器主要由兩部分組成，中間圓筒和兩端端蓋。端蓋一側(cè)端口分別接進油管和出油管，另一側(cè)端口接氣管。其工作原理為：由活塞將蓄能器隔離，分為油腔和氣腔。預先對氣腔充入具有一定壓力的氮氣，將油液部分與液壓回路連接在一起。當壓力升高時蓄能器吸收液體，氣體被壓縮；當壓力達到28 MPa時，停止增壓，此時達到工作壓力；泄壓時，被壓縮的氣體膨脹，將蓄積的壓力油液壓入液壓回路。

2 活塞式蓄能器的材料屬性

活塞式蓄能器采用兩種材料構(gòu)成，中間圓筒材料為鋼，兩端端蓋材料為鈦合金，兩種材料屬性如表1所列。

表1 材料屬性

3 活塞式蓄能器的有限元仿真

采用MSC.Patran/Nastran軟件對活塞式蓄能器進行有限元建模。模型中共劃分54 558個單元，54 412個節(jié)點。活塞式蓄能器采用兩種材料，中間圓筒采用鋼材料，兩端端蓋采用鈦合金。不考慮熱膨脹系數(shù)，直接進行強度分析時，在活塞式蓄能器內(nèi)部施加均布壓力，載荷大小為活塞式蓄能器的工作壓力28 MPa。分析結(jié)果見圖1～3所示的應力云圖，即不考慮溫度場影響時，活塞式蓄能器的最大應力為558 MPa，此時端蓋應力558 MPa，圓筒應力426 MPa。

圖1 活塞式蓄能器的應力云圖 圖2 端蓋的應力云圖

圖3 圓筒的應力云圖

4 溫度場對活塞式蓄能器性能影響的分析

依據(jù)GJB150.6-86《軍用設備環(huán)境試驗方法：溫度-高度試驗》中規(guī)定，設備在地面高溫連續(xù)工作溫度范圍為“55～125 ℃”。文中考慮未來戰(zhàn)機適應范圍更廣泛，選取研究范圍20～500 ℃，采用有限元軟件，通過仿真分析研究溫度場對活塞式蓄能器性能的影響，共計算7種工況，如表2所列。

表2 不同溫度場計算工況

將軟件中分析類型(Analysis Type)設置為熱分析(Thermal)，此時進行不同溫度場計算工況的分析。依據(jù)兩種材料熱導率和熱膨脹系數(shù)的差異性，可以判斷，圓筒材料對溫度變化更加敏感。首先考慮將活塞式蓄能器放入常溫20 ℃環(huán)境中，保持一定的時間，使得結(jié)構(gòu)各部位都達到20 ℃，此時參考溫度設置為20 ℃，對應工況1；考慮活塞式蓄能器從常溫環(huán)境20 ℃轉(zhuǎn)入高溫環(huán)境125 ℃中，考慮最嚴酷的情況：即當活塞式蓄能器中間圓筒位置溫度達到125 ℃時，活塞式蓄能器兩端端蓋位置溫度仍為20 ℃。此時，結(jié)構(gòu)整體處于125 ℃高溫環(huán)境中，故參考溫度設置為125 ℃，此時對應工況2；若從常溫環(huán)境20 ℃分別轉(zhuǎn)入高溫環(huán)境200 ℃、500 ℃時，即分別對應工況3和4。考慮活塞式蓄能器從高溫環(huán)境125 ℃轉(zhuǎn)入常溫環(huán)境20 ℃中，考慮最嚴酷的情況：即當活塞式蓄能器中間圓筒位置，溫度達到20 ℃時，活塞式蓄能器兩端端蓋溫度仍為125 ℃。此時，結(jié)構(gòu)整體處于20 ℃常溫環(huán)境中，故參考溫度設置為20 ℃，此時對應工況5，工況5的溫度場如圖4所示；若溫度分別從200 ℃、500 ℃降低到20 ℃，則分別對應工況6和7。

圖4 工況5的溫度場

5 結(jié)果分析與評價

將軟件中分析類型(Analysis Type)設置為結(jié)構(gòu)分析(Structural)，此時進行不同溫度場工況下的強度分析，無內(nèi)壓時計算結(jié)果如表3所示，含內(nèi)壓(28 MPa)時計算結(jié)果如表4所列。

表3 無內(nèi)壓計算結(jié)果

表4 含內(nèi)壓計算結(jié)果

(1) 考慮熱導率和熱膨脹系數(shù)后，蓄能器所受最大應力大于無溫度場情況。由表3中工況1可知，當蓄能器各部位溫度均為20 ℃時，此時溫度場對結(jié)構(gòu)作用力為0。比較表4中的無溫度場和工況1，可以得出，即使溫度場作用力為0，但在考慮材料熱導率和熱膨脹系數(shù)后，蓄能器所受最大應力明顯大于不考慮溫度場的情況。

(2) 無內(nèi)壓時，溫度場對結(jié)構(gòu)性能的影響與材料線膨脹系數(shù)有關(guān)。由圖5可以看出，當端蓋溫度保持在20 ℃時，隨著圓筒溫度在20～500℃范圍內(nèi)變化，端蓋應力和圓筒應力均呈現(xiàn)升高趨勢。由圖6可以看出，當圓筒溫度保持在20 ℃時，隨著端蓋溫度在20～500 ℃范圍內(nèi)變化，端蓋應力和圓筒應力均呈現(xiàn)升高趨勢。而圓筒溫度變化趨勢相比端蓋更加顯著，而且蓄能器的最大應力始終處于圓筒部位。這是因為，在20～500 ℃溫度范圍內(nèi)，端蓋材料線膨脹系數(shù)均小于10，而圓筒材料線膨脹系數(shù)均大于11，尤其在500 ℃達到了13.9，所以使得圓筒對溫度場的變化更為敏感。尤其在500 ℃時，應力出現(xiàn)了顯著提升。

圖5 表3中工況1～4比較

圖6 表3中工況1，5～7比較

(3) 含內(nèi)壓時，由表4可以看出，工況1～3和工況5～7,溫度場的改變對于蓄能器所受的最大應力幾乎沒有影響。對照表3中的相關(guān)工況，可以看出，此7種工況下，溫度場對蓄能器作用的應力均在126 MPa以下。在結(jié)構(gòu)內(nèi)部含有28 MPa內(nèi)壓的情況下，該應力對結(jié)構(gòu)最大應力影響很小，可以不用考慮。對于工況4，由于此時材料線膨脹系數(shù)提升較大，使得無內(nèi)壓時，溫度場對蓄能器作用的最大應力達到309 MPa。對于含內(nèi)壓情況，該溫度場的存在顯著提升了結(jié)構(gòu)的最大應力。對于500 ℃的情況，需要結(jié)合實際使用工況，適度考慮溫度場的影響。

6 結(jié) 論

綜上所述，通過對不同溫度場工況進行強度仿真分析，比較不同工況下溫度場的改變對于活塞式蓄能器性能影響的規(guī)律曲線，可以得出下列結(jié)論。

(1) 在20～200 ℃范圍內(nèi)，溫度場的改變對活塞式蓄能器的應力影響較小，在結(jié)構(gòu)設計時，可以不用考慮。

(2) 在500 ℃時，考慮到材料的線膨脹系數(shù)提升較大，溫度場改變對蓄能器的最大應力起到了一定的提升作用，需要結(jié)合實際使用工況，適度考慮溫度場的影響。