仿生式液压管路结构顺应性及液固耦合动力学行为研究

High-speed and high-pressure aggravate the vibration of hydraulic system trend, and propose the stringent requirements for vibration control. Based on the research achievement on hydraulic pipeline vibration control at home and abroad, referring the biological mechanism of "cheetah’s heart tolerating high frequency pulsating blood", we invent one bionic hydraulic pipeline with three layers. The inner is com-posed of nano coating materials which is very smooth and has a good ability to inhibit turbulence separation. The middle is made up of viscoelastic materials which has well-structured compliance and good ability to absorb vibration. The outer is high strength protection layer. In addition, aiming to the bionic hydraulic pipeline, combining with the turbulence theory and PIV, we explore the mechanism of oil turbulence separation on its ultra-smooth inner surface. And then, because the boundary conditions of the middle viscoelastic material is irregular and its constitutive relations is strong nonlinear, we establish the two-way fluid structure interaction(FSI) dynamic model by FCBI, and solve the model by direct decoupling way, and acquire the dynamic behavior between the high frequency oil vibration and bionic hydraulic pipeline. After-wards, we obtain the vibration control effect of the bionic hydraulic pipeline in different conditions by distributed multi-point detec-tion technique, and compare it with tradition vibration control method. The research results will lay the theory foundation to reveal the two-way FSI vibration mechanism, and is significent to promote the vibration control technology for high-speed and high-pressure hydraulic system.

高速高压加剧了液压系统管路振动，并给振动控制提出了严苛要求。本立项在国内外液压管路振动控制研究成果基础上，借鉴"猎豹心脏出口血管能耐受高频高压血液脉动"生物学机理，创成一种具有三层结构的仿生式液压管路。内层由纳米涂层材料和涂层基体构成，具有良好的稳定油液流动的能力；中层由粘弹性材料编织成多层结构，具有良好的结构顺应性和吸收脉动的能力；外层为保护层。在此基础上，重点突破仿生式液压管路吸收流量脉动抑制振动作用机制及其与油液的液固耦合振动机理两个关键科学问题。主要研究内容包括：修正超滑表面油液动力学模型，探索流动演化规律；结合粘弹性材料的强非线性，基于FCBI有限元法建立仿生式液压管路与油液的双向液固耦合动力学模型，并对其直接解耦；评估复杂工况下该管路吸收脉动抑制振动的工作效果。本立项研究成果在液压管路振动技术及液固耦合理论方面具有特色，对推动高速高压液压系统管路振动控制技术发展具有重要意义。

三年来，项目组完成的主要工作包括：一、借鉴"猎豹心脏出口血管能耐受高频高压血液脉动"生物学机理，发明了一种具有三层结构的仿生式液压管路，获批了2项专利。二、构建液压管路14-方程流固耦合动力学方程，并首次考虑摩擦耦合作用，建立了完整的流固耦合动力学方程，得到了方程的解析解。三，研制了两种具有双层结构的仿生液压管路，并分别对其进行深入研究。第一种仿生液压管路内层完全采用硅胶材料，外层为不锈钢保护层，采用M-R双参数模型描述硅胶材料物理性能，并对试验采用的硅胶材料物性进行测量，辨识得到更为准确的M-R模型的参数项，以此修正液压管路14-方程中的固体结构方程，得到仿生管路14-方程流固耦合动力学方程；研究结果表明，所提出的仿生管路具有较好的吸收脉动效果。第二种仿生液压管路内层由硅胶材料和碳纳米材料混合而成，利用纳米材料的物理特性以改善硅胶材料的粘弹性和减小油液与硅胶之间的摩擦；同样项目组也对内层材料的物性进行测量，辨识得到新的硅胶材料物性参数，并修正了仿生管路14-方程流固耦合动力学方程；现有的仿真和部分实验结果表明，混合了纳米材料后的仿生管路吸收脉动效果得到明显改善。初步取得的研究成果表明立项初期提出的仿生液压管路的构想是具有创新性的，而且能够取得预期的效果，也为发展高速高压液压系统振动控制提供了新的思路。.经过与中国商飞上飞院、中航工业南京机电中心合作，液压管路流固耦合机理研究成果在国产飞机ARJ21-700、C919及CR929的液压管路系统优化设计及规范开发方面得到应用，产生了一定的工程应用价值。.不足之处在于，三层结构的仿生液压管路结构暂时未能得到实施。主要原因在于：（1）经调研，项目组认为应首先对比硅胶材料吸收脉动和纳米材料减阻减摩的贡献度，因此，暂时构建了双层仿生管路结构；（2）硅胶材料本身非线性较强，而且编织成本较高、周期长、需要开发一些专用工装，因此，仿生管路的内层是浇注整块加工的。