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CN1332187C - 预测闭式波纹管的管道子系统固有频率特性的方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统，用于预测包括闭式波纹管部件(12)在内的管道子系统(10)的固有频率特性(132)。该系统由一个输入值(110)确定一个刚度放大系数，使用确定的挠曲系数确定固有频率特性。输入值包括几何输入值(116)和动态运行条件输入值(114)。挠曲系数由回归方程式来确定。回归方程式，基于各种闭式波纹管结构的动态刚度测试数据，允许系统使用一几何元件表征闭式波纹管，而该几何元件包括一个基于动态刚度测试数据赋值的挠曲系数。

Description

预测闭式波纹管的管道子系统固有频率特性的方法
技术领域
本发明总的来说涉及一种闭式波纹管以及，尤其涉及一种用于预测闭式波纹管的管道系统中的固有频率特性的方法。
背景技术
燃气轮发动机中管道系统中常使用闭式波纹管或者密封球状接头，以把之间需要铰接的载流管道的相邻部分连接起来。闭式波纹管提供一挠性连接，除了防止管道的相邻部分之问的可能移动，也防止流经管道相邻部分的流体泄漏。例如，这种移动可以是在发动机运行期间管道系统的热膨胀所导致的。
典型地，在发动机内并绕发动机将闭式波纹管设于各个不同位置处。为了设计出可以承受高循环疲劳(HCF)应力的闭式波纹管和相关硬体，采用模拟技术预测包括闭式波纹管件在内的管道系统的固有频率特性。已知的模拟技术应用根据制造商提供的测试数据逼近闭式波纹管的固有频率特性的分析模型。这种测试数据典型的是从静态元件刚度测试中获得。该分析模型通过给分析模型中代表闭式波纹管的不同弹性元件赋予弹性常数来结合静态刚度数据。弹性元件提供波纹管刚度输入值，以用于系统固有频率特性的解析判定。由于闭式波纹管固有频率特性是基于静态刚度测试数据的，因此分析模型精确估算闭式波纹管固有频率特性的能力势必受到限制。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于预测闭式波纹管的管道子系统的固有频率特性的方法，所述方法包括以下步骤：提供至少一个包括多个闭式波纹管的管道子系统；在动态刚度测试数据的基础上使用回归法决定每个闭式波纹管内的刚度放大系数；将决定了的刚度放大系数输入一个电脑模型，该电脑模型应用一个标准几何元件和一个基于刚度放大系数的挠曲系数来预测固有频率特性；以及在所述固有频率特性的基础上决定管道支承的位置。
在一个示范性的实施例中，一模型系统准确地预算出包括闭式波纹管件的管道子系统中的固有频率特性。该模型系统利用一标准几何元件表征闭式波纹管，该标准几何元件包括一个基于动态刚度元件而不是静态刚度元件所指派的刚度放大器。在该示范性的实施例中，该模型系统利用一标准几何元件表征闭式波纹管，该标准几何元件是一个包括应用挠曲系数的管状元件，并且该模型系统使用回归法来确定挠曲系数。一个示范性的回归方程式包括计入管道系统直径、波纹管节距、系统运行压力、以及动态系统运行输入。本模型系统以有成效且可靠的方式使包括闭式波纹管件的管道子系统固有频率特性的精确预测变得容易。
附图说明
图1是一个包括多个闭式波纹管的管道子系统的示意性前视图；
图2是用在图1所示管道子系统的闭式波纹管的局部剖面侧视图；
图3是模拟例如图1中所示那样的管道子系统的固有频率特性的方法流程图。
具体实施方式
图1是一个包括多个闭式波纹管12的管道子系统10的示意性前视图。管道子系统10自燃气轮发动机14径向向外地与多个棒端连杆16相连。棒端连杆16从发动机外壳22的外表面20径向向外延伸。每个棒端连杆16包括一个用以紧固到管道子系统10的环形带24。
管道子系统10包括多个连在一起的管段30以形成流体通道。每个棒杆带24固定到一个管段30上，并把该管段30紧固到发动机外壳22上。正如随后更加具体说明的，每个闭式波纹管12与相邻管段30之间流体连通式的连接，并提供实质上具有介于相邻管段30之间防漏回转的挠性接头。此外，波纹管12为管道子系统10提供挠性，而该挠性正是为实体地偏转管段30所需的，从而改善与发动机14的其他部件(未示出)安装的容易程度，并且调节在发动机运行过程中管段30的热胀。
图2是闭式波纹管12的局部剖面侧视图，该闭式波纹管用来将第一管34和第二管36流体连通式的连接起来。闭式波纹管12防止相邻管34和36之间的流体泄露，同时提供管34和36之间的枢转或回转运动。第一管34具有第一直径37，第二管36具有第二直径38。
封闭波纹管12包括管状外套40，其局部包绕一共轴管状内套42。外套40是一单件，并包括位于第一端44处、用来连接到第一管34的整体式柱形套筒46。套40也包括位于第二端48处的一个整体式球形凹环带50。
内套42包括位于第一端52的圆柱形套管54用来连接到第二管36。套42包括位于第二端56的整体式球形凸环带58。凸环带58的外径(未示出)近似等于凹环带50的内径(未示出)，因此内套的凸环带58与外套的凹环带50滑动接触。
管状波纹管74与内、外套的中心轴共轴(未示出)。波纹管74位于内套42和波纹衬垫75之间，在容许第一和第二段管34和36之间的受限旋转运动的同时，也允许分别密封地接合到这两段管上。波纹管74包括多个轴向隔开的卷折76，以分别在内、外套42和40之间提供一种挠性密封。邻近卷折76的相应部分限定了波纹管74的节距80。
图3是模拟管道子系统中固有频率特性的方法流程图100，例如包括闭式波纹管12(图1和图2中所示)的管道子系统10(图1中所示)。该方法可以应用于计算机上(未示出)，例如个人电脑或者包括一个界面(未示出)，例如键盘和显示器、处理器和存储器的工作站。
最初，选择输入值110，它表示管道子系统的工作特性。更特别地，选择动态运行条件输入值114和闭式波纹管几何输入值116。在示意性的实施例中，动态运行条件输入值114至少包括代表管道子系统10的运行压力和振动环境的数据(如在图1和2中所示)，闭式波纹管几何输入值116包括代表波纹管节距80的数据(如图2所示)和波纹管匹配管径37和38的数据(图2)。这种输入值114和116，例如，由操作员选择。
然后确定被分析的管道子系统10的刚度放大器120。不是将闭式波纹管12(如图1和图2所示)模拟为具有弹性常数弹性元件，其中弹性常数是基于静态刚度部件测试数据得到的；而是用标准几何元件表征闭式波纹管12，该标准几何元件包括一个基于动态刚度部件测试数据所赋予的刚度放大系数。刚度放大系数是一个有限元输入值，其可以有选择性地调节以自定义具体的闭式波纹管元件的动态刚度。使用回归方程式确定刚度放大系数120，该回归方程式包括计入管道子系统的直径37和38、系统运行压力、波纹管节距80、和动态系统运行输入值。
回归方程式建基于动态刚度的测试数据，而动态刚度测试数据是在测试了许多不同的波纹管的结构以后得到的。解析地模拟各个不同的闭式波纹管结构以为特定的波纹管结构确定一个唯一的刚度放大系数，并且产生一个管道子系统解析模型。刚度放大系数回归方程式可用于管道子系统尺寸和模型所建基于动态刚度测试数据而反映的运行条件的范围很广。在管道子系统的分析模型内，将适当的刚度放大系数输入124到标准几何波纹管元件中。
在示意性的实施例中，闭式波纹管12使用一个标准几何元件表征，该标准几何元件是一个包括刚度放大系数的管状元件，该刚度放大系数是一应用挠曲系数。挠曲系数通过使用一个迭代模式来确定，通过将一个有限元分析中的管道元件的固有频率特性与振动部件测试的固有频率特性相匹配优化挠曲系数。赋予标准管道元件的挠曲系数递增地变化，直到波纹管元件的解析固有频率特性与波纹管测试部件的固有频率特性相同为止。例如，在一个实施例中，一个直径为3英寸的闭式波纹管中心定位在一个直径为12英寸的悬臂式直管段上(未示出)，在受压接近100绝对压强的系统内以约常量2g的振动环境产生一个166赫兹的固有频率特性。使用有限元分析模拟测试部件，以得出赋予约0.328的挠曲系数，使得分析模型得出与近似同样运行条件下的部件测试件相同的固有频率特性。
然后求解管道子系统分析模型130以确定或预测管道子系统的固有频率特性132。结果，由于促进了闭式波纹管动态特性的更精确估计，可以更可靠地设计波纹管管道子系统。
在一个实施例中，管道子系统是一个CF34-8型飞行器发动机冷却系统(未示出)，可以从俄亥俄州的辛辛那提的通用电气飞行器发动机公司得到，CF34-8型飞行器发动机冷却系统的管道系统固有频率特性可以被预测出来。回归方程式中使用振动环境输入值114、运行压力值114、管道系统直径37和38、和波纹管节距信息80以确定包括在CF34-8型飞行器发动机管道系统内的波纹管元件12的挠曲系数120。回归方程式确定赋予管道波纹管元件的挠曲系数120。求解有限元分析，为一特定发动机振动环境提供CF34-8型飞行器发动机的固有频率特性。得到固有频率特性将易于确定管道支承位置。
以上描述的是一种节省成本而且精确的模拟方法。该模拟方法通过回归方程式模拟并预测闭式波纹管的刚度。回归方程式，是基于多个波纹管的结构的动态刚度测试数据，允许使用标准几何元件描述闭式波纹管，该几何元件包括一个指定的基于动态刚度测试数据的刚度放大系数。结果，模拟方法允许以一种有效而可靠的方式预测包括波纹管部件的管道子系统中的固有频率特性。
尽管发明通过不同的特定实施例来描述，本领域的技术人员将会意识到本发明可以在权利要求的范围和主旨之内实行不同的修改。

Claims (5)

1.一种预测闭式波纹管的管道子系统固有频率特性的方法，所述方法包括以下步骤：
提供至少一个包括多个闭式波纹管的管道子系统；
在动态刚度测试数据的基础上使用回归法决定每个闭式波纹管内的刚度放大系数；
将决定了的刚度放大系数输入一个电脑模型，该电脑模型应用一个标准几何元件和一个基于刚度放大系数的挠曲系数来预测固有频率特性；以及
在所述固有频率特性的基础上决定管道支承的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括把动态系统运行输入值输入到模型中的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述输入动态系统运行输入值的步骤进一步包括向模型中输入至少一个运行压力和振动环境值的步骤。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括向模型中输入包括波纹管节距和匹配管直径中的至少一个的几何输入值的步骤。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括决定至少一个管道子系统的刚度作为刚度放大系数的函数的步骤。
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