管路仿真在不同領(lǐng)域的應(yīng)用

管路仿真在不同領(lǐng)域的應(yīng)用一、飛機(jī)上的管路仿真1、飛機(jī)燃油系統(tǒng)管路沖擊壓力問題研究背景飛機(jī)燃油系統(tǒng)工作時，它是一個密閉的有壓管道系統(tǒng)，由于外界因素，如閥門驟然關(guān)閉、燃油選擇閥切換供油方向、燃油泵故障突然停止時，在管道長度較大的情況下，流體速度發(fā)生突然變化引起燃油動量驟然變化，作用在燃油管道上的壓強(qiáng)就會局部猛增，并以壓力波的形式在管內(nèi)迅速傳播和往返，不斷捶擊管壁，造成管道的振動和噪音。發(fā)生嚴(yán)重的沖擊壓力會造成燃油系統(tǒng)管道爆裂、管接頭脫落斷開、閥門破壞等故障，影響飛機(jī)飛行安全。沖擊壓力的計(jì)算和研究方法沖擊壓力計(jì)算所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：管道流量、流速：設(shè)計(jì)最大流量；燃油流速。燃油的物理特性：燃油密度、運(yùn)動粘度、燃油的彈性模量等。管道參數(shù)：管徑、壁厚、管壁粗糙度，管壁彈性模量等。④燃油系統(tǒng)管道主要設(shè)備布置簡圖：油泵數(shù)及工作方式（并、串聯(lián)），油泵與閥門之間的距離、泄放閥的位置以及相互連接關(guān)系圖等。幾種仿真計(jì)算方法：基于Flowmaster燃油管道系統(tǒng)沖擊壓力仿真計(jì)算Flowmaster軟件是全球領(lǐng)先的流體管網(wǎng)系統(tǒng)解算工具，是面向工程的完備的流體系統(tǒng)仿真軟件，對于各種復(fù)雜的流體管網(wǎng)系統(tǒng)，利用Flow—master快速有效地建立精確的系統(tǒng)模型，并進(jìn)行完備的分析。Flowmaster具備的分析模塊可以對流體系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析，可以對不可壓縮流體和可壓縮流體系統(tǒng)進(jìn)行分析。燃油管道系統(tǒng)由泵、管道、接頭、彎頭、閥、引射泵、油濾等元件組成，這些元件在Flowmaster的元件庫中均能找到各自的數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型用形象的示意圖來代表。每個物理元件的數(shù)學(xué)模型有一個數(shù)據(jù)輸入表格，它定義該元件的輸入、輸出及特征參數(shù)。這就為Flowmaster燃油管道系統(tǒng)沖擊壓力仿真計(jì)算提供了極大的方便。但Flowmaster作為一維流體仿真軟件，與三維設(shè)計(jì)軟件之間缺乏數(shù)據(jù)接口，只有通過對軟件的二次開發(fā)，才能使計(jì)算模型的更新與設(shè)計(jì)更改同步。例如結(jié)合Catia、Excel等軟件，對Flowmaster進(jìn)行二次開發(fā)使模型從一維成為三維模型，更利于流體的三維仿真分析?；贛ATLAB新的彈性水擊仿真計(jì)算方法華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)發(fā)表的“一種新的彈性水擊計(jì)算方法”是孟安波等基于MATLAB軟件提出的一種新的彈性沖擊壓力“e指數(shù)”計(jì)算方法，該方法不但易于將方程展開，不帶來誤差，而且易于建模仿真。該計(jì)算方法準(zhǔn)確地反映了水擊壓力極值點(diǎn)及整個動態(tài)過程，同時該方法將介質(zhì)摩擦阻力對沖擊壓力的影響考慮在內(nèi)，提高了計(jì)算精度，使用方便，實(shí)用性得到了提高。因?yàn)樵撚?jì)算方法需要準(zhǔn)確的估算相應(yīng)的摩擦系數(shù)值，才能建立含有摩擦因子的、精確的彈性水擊計(jì)

算模型，提高水擊計(jì)算的精度。參考文獻(xiàn)：《飛機(jī)燃油系統(tǒng)管路沖擊壓力問題的研究》施傳家2、基于FLowmaster的飛機(jī)壓力加油系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)仿真計(jì)算仿真設(shè)定條件根據(jù)已有壓力加油系統(tǒng)的初步構(gòu)型，搭建仿真模型。系統(tǒng)管路布局差異、管路走向、三通連接走向、各附件的損失系數(shù)等對仿真分析結(jié)果有著重要影響。假設(shè)壓力加油源壓力恒定，設(shè)其表壓力為0.345MPa,假設(shè)選定燃油型號為KeroseneNominalProperties(775kg/m3)，溫度為20°Ct⑷在通往兩機(jī)翼油箱的加油管路上設(shè)有限流孔以達(dá)到左右油箱平衡加油的目的(5)壓力加油系統(tǒng)：飛機(jī)設(shè)有左右機(jī)翼四個整體油箱，左右各2組油箱，I組油箱載油量為4900kg,II組油箱載油量為5100kg，飛機(jī)滿油油量為20000kg。飛機(jī)從空油箱加油到滿油20000kg的時間不超過20min，加油管徑可保證加油系統(tǒng)導(dǎo)管內(nèi)的燃油流速不大于7m/s,進(jìn)入油箱的燃油流速不大于lm/s；⑹假設(shè)油箱大?。篒組和II組油箱裝載滿油時高度均為0.78m，I組油箱的橫截面積4900775x0.78=8J06m2II截面積4900775x0.78=8J06m2II組油箱的橫截面積A2=5[0077?^078翼展長為40m。仿真內(nèi)容計(jì)算內(nèi)容本報(bào)告現(xiàn)階段僅針對正常壓力加油狀態(tài)下進(jìn)行仿真計(jì)算，涉及內(nèi)容：(1)同時向4組油箱加油滿油限流孔匹配；(2)壓力加油滿油時間計(jì)算。管路直徑理論計(jì)算加油管路在飛機(jī)機(jī)翼中的布局方式由飛機(jī)結(jié)構(gòu)確定，因此加油管路長度尺寸可以大致確定，現(xiàn)需要確定的尺寸為加油管管徑。由飛機(jī)加油時間要求為從空油箱加油到滿油油量20000kg的時間不大于20min，以20min滿20t油計(jì)算，加油總管門、20000讓忙十；內(nèi)的質(zhì)量流量要求為：

為了保證體積流量能夠完全滿足質(zhì)量流量的要求，由于燃油的密度不是定值，因此以最小密度計(jì)算體積流量，燃油的最小密度為775kg/m(20°C),計(jì)算得體16.67p775積流量為.=°，°215伽min(i)考慮加油管徑必須保證加油系統(tǒng)導(dǎo)管內(nèi)燃油流速不大于7m/s,因此加油總管直徑(內(nèi)徑)D總必須大于:/4x0；直徑(內(nèi)徑)D總必須大于:/4x0；02151V3,14x7=62.55mm(2)通過限流孔保證從壓力加油總管分出的左右兩路流量相等，支管直徑(內(nèi)徑)D支必須大于：4x0.021512x3J4x7=44.23mm4x0.021512x3J4x7=44.23mm<3)⑷?30.96wm⑸⑷?30.96wm⑸D知上在經(jīng)過左右支管，流入I組和II組油箱前，需要流經(jīng)壓力加油活門前的支路，根據(jù)I組和1I組油箱載油量的比例，進(jìn)行分酉己流量，則有：I組支管內(nèi)徑DI必須大于：[4x0,02151x4900^2x3.14x7x10000II組支管內(nèi)徑DII必須大于:/4x0.021511/2x3.14x7x70000管路管直徑確定

考慮設(shè)計(jì)余量，保證產(chǎn)品流速小于7m/s，同時考慮整個系統(tǒng)壓力損失最小，加油時間盡量短，系統(tǒng)管路重量最優(yōu)的目的，需要確定合理的加油管管徑。首先初步確定加油總管直徑，根據(jù)公式（2）和現(xiàn)有的加油接頭尺寸GJB60-85及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GJB61-1985，本設(shè)計(jì)計(jì)算報(bào)告按總管流速最大6m/s為設(shè)計(jì)值，則總管直徑：0.02151"上 —hl3,14x6取72mm口根據(jù)公式（3）和系統(tǒng)損失和壓力加油活I(lǐng)'qI作特性，設(shè)計(jì)余量為20%。初步確定支路管徑D支為53mm。根據(jù)公式（4）、（5）和現(xiàn)有壓力加油活門通徑尺寸及工作特性，確定支路管徑為40mm。為了保證進(jìn)入油箱的燃油流速不大于1m/s，壓力加油活門出口流通面積A應(yīng)滿足：v4x1取A=7000mm\（仿真迭代得出）。參考文獻(xiàn)：《基于FLowmaster的飛機(jī)壓力加油系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)仿真》黃萬甲，王樂二、船舶管路的仿真1、船舶管路布置仿真（1） 研究背景：管路布置中的障礙一般指管路周圍的設(shè)備、布置艙壁以及已布置好的管路等.在機(jī)艙中管路的設(shè)備和元部件成千上萬且形狀各異，非常復(fù)雜.船舶計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，其中布置環(huán)境建模是進(jìn)行管路布置的準(zhǔn)備階段，建模的好壞對布置的算法及最終效果影響很大.在船舶3D管路智能設(shè)計(jì)中，必須選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ捅磉_(dá)方法并進(jìn)行最大程度的模型簡化，否則會由于要進(jìn)行碰撞檢測的障礙模型表面太多而無法處理，甚至使系統(tǒng)崩潰.（2） 模型簡化的步驟初步簡化初步簡化的目的是得到低級模型，保留原設(shè)備的主要幾何特性，但幾乎不包括幾何之外的信息.使用自由形式幾何體表達(dá)障礙，需要為檢測障礙的邊界進(jìn)行大量的計(jì)算工作，不適用智能設(shè)計(jì)算法.但此類模型在仿真設(shè)計(jì)中也非常重要，用在后期的可視及虛擬仿真中，可體現(xiàn)更高的真實(shí)性和仿真的相似性，在制作設(shè)備模型庫時經(jīng)常用到.圖3為1個空氣瓶經(jīng)初步簡化后的模型.

圖3空氣瓶初步簡化模型深度簡化初步簡化模型對3D布置的智能算法很復(fù)雜.由于3D布置考慮的是設(shè)備、平臺或管路所占的空間體積，而不是具體形狀，在實(shí)際布置時可對模型作進(jìn)一步簡化,見圖4。圖4空氣瓶深度簡化參考文獻(xiàn)：《船舶管路仿真模型簡化》鄒玉堂、任光、路慧彪三、車輛管路仿真1、管路模型的建立圖3為某國產(chǎn)井下無軌輪式車輛全液壓制動系統(tǒng)液壓管路部分的示意圖。在考慮了車輛的結(jié)構(gòu)、布置位置和技術(shù)參數(shù)等要求后，該車輛制動系統(tǒng)全部采用普通液

壓軟管且管路較長，如從蓄能器到制動閥的連接軟管1、制動閥到制動輪缸的連接軟管2長均為4m。根據(jù)圖4的功率流方向、因果關(guān)系以及相關(guān)規(guī)則，可以得到全液壓制動系統(tǒng)液壓管路的狀態(tài)方程:到全液壓制動系統(tǒng)液壓管路的狀態(tài)方程:菁能器 制動閥 制動輪缸圖3液壓制動管路示意圖尸<2電^—II*G:尸<2電^—II*G:*巴Qk-S4分為3殷的管路集中參數(shù)鍵合圖模型+［心Oie(&2+&n+En)@+Rd2Q3+巴1一聲］,1(+［心Oie(&2+&n+En)@+Rd2Q3+巴1一聲］,1(QR”巴)”農(nóng)+心R”R嶇一did巳二凸G&十尺曲心+乩3瞥|~%02-（心+兀+啟4<?3+巴心+乩3"3式中:P——壓力；Q 流量；I——管路液感,線性表達(dá)式為上卑；7T</C一液容,線性表達(dá)式為嘉；4K靜態(tài)摩擦液阻，表達(dá)式為殆空％；ttJRd——動態(tài)摩擦液阻，表達(dá)式為R產(chǎn)1304.987Rv——外部負(fù)載液阻;p一流體密度；I——管路分段后一段管路的長度;d—路直徑；K——管盼效柯彈性模量；A一流體動力粘度系數(shù)。等效彈性模量K可以表示為：]=1I兔式中哎一_!|動液的體積彈性模量；也一軟管直徑；b&——軟管壁厚；/——軟管材料的縱向彈性系數(shù)。2管路動態(tài)特性仿真與分析由全液壓制動系統(tǒng)的示意簡圖，可分別建立蓄能器、制動閥、制動輪缸的數(shù)學(xué)模型。再聯(lián)合液壓管路的狀態(tài)方程，可建立包含液壓管路的全液壓制動系統(tǒng)的Simulink仿真模型，如圖5所示。通過仿真計(jì)算，分析了蓄能器出口處與制動閥人口處、制動閥出口處與輪缸入口處的壓力變化和流量變化，然后在考慮了管路動態(tài)摩擦阻力的情況下，分別改變了等效彈性模量（軟管與硬管）、管路長度、管路直徑中的一個，其他不變，來考察管路參數(shù)對建立制動輪缸內(nèi)壓力的影響。淸路2□P01P1P1.P2QOP01QIQ0a喬能器Ml淸路2□P01P1P1.P2QOP01QIQ0a喬能器MlX Q2逍Q'3 1輸入信號 :r*比3*P3P2""""輪鉢pokPl圖5包含iffi壓管路的制動系統(tǒng)仿真模型參考文獻(xiàn)：《工程車輛全動力制動系統(tǒng)液壓管路建模與仿真高成國、林慕義、侯金平四、空調(diào)壓縮機(jī)管路系統(tǒng)仿真1、研究背景：空調(diào)配管動力學(xué)分析振動系統(tǒng)的固有特性，包括模態(tài)分析以振動理論為基礎(chǔ)模態(tài)參數(shù)為目標(biāo)的分析方法，研究激勵、系統(tǒng)、響應(yīng)三者之間的關(guān)系。利用仿真平臺在現(xiàn)有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真改變，直接得到所需要的預(yù)測結(jié)果，對存在不合理的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行ANSYS分析處理優(yōu)化和糾正改善，同時通過減少管線的長度或直徑以及壁厚等降低材料成本。2仿真優(yōu)化（1） 模態(tài)分析模態(tài)分析主要用于計(jì)算管路結(jié)構(gòu)模型的振動特性及固有頻率和振型。本文研究正常運(yùn)行時工作頻率為48Hz的壓縮機(jī)，原管路模型固有頻率列表見表1.（2） 諧響應(yīng)分析諧響應(yīng)分析主要用于計(jì)算給管路系統(tǒng)施加周期性的力矩載荷與壓力脈動通過傅里葉變換得到影響振動的主要頻率、對應(yīng)扭矩和相位角，進(jìn)行模態(tài)疊加獲得系統(tǒng)響應(yīng)。見表2,表3。（3） 位移與應(yīng)力分布云圖從表3表4、圖3結(jié)果分析來看：壓縮機(jī)在48Hz下工作時，吸氣管靠近儲液罐區(qū)域的彎頭處和排氣管靠近壓縮機(jī)排氣口區(qū)域的彎頭處應(yīng)力比較；優(yōu)化方案與原機(jī)方案相比，第14階固有頻率由49.36Hz略減小到48.48Hz。優(yōu)化后方案排氣管最大吸氣管應(yīng)力略減小，排氣管應(yīng)力略增加。整機(jī)位移略減小。

表1原始模型固有頻率列皈樓態(tài)階數(shù)1階2盼3階鋤飛酚■7曠9階模態(tài)碩率Hz4924.99fl.3D11.0413.5014.8D15.9118,0724.aa27.47模態(tài)階數(shù)11階12階13階14階】5階】鋤17^1贈r19航邛階橫態(tài)頻率Hz28.1331.2937.644S.3660.U67.6077.87.9092.58100.13表2原始漠型附加載荷壓縮機(jī)王作頻字｛性｝48.000000隹回力FR(N) Z也扭矩(N■mm} 排氣管壓力脈動(MPa) 週氣管壓力脈動壓縮機(jī)王作頻字｛性｝48.000000-46/265923 '10120,572382 6'030000 6.010000……襄3原始摸型諧響應(yīng)分折結(jié)果項(xiàng)目最大位移【E1)最大應(yīng)力值(晟〕魅機(jī)0.2113718373.93780139回氣管0.130933613.93780139排氣管0.1011DB172.28278303低壓閥接普6.048078282.31348093閥冷靂器按管0.058412163.54935763鑒q昔蚌舍獄稱廿布 瞅U臂應(yīng)h靜卅￡3觀氣管和排氣鱉嫌合僮移和血力分布表4原始摸型晶犬隹移與應(yīng)辦吸氣管綜合位移々m吸氣管X向位移/Em眠氣管Y間審移吸氣管綜合位移々m吸氣管X向位移/Em眠氣管Y間審移/m