在航空发动机和航天器的“血管系统”中，分支输液管道扮演着关键角色。这些管道负责输送燃料、液压油等流体，但其复杂的分支结构容易引发流固耦合振动，可能导致管道疲劳断裂等严重故障。如何精准预测并控制这种振动？近日，东北大学孙伟团队在《Frontiers of Mechanical Engineering》发表研究，提出一种融合有限元法（FEM）与吸收传递矩阵法（ATMM）的降阶建模方法，成功将振动分析误差控制在9.98%以内，为解决复杂管道系统的振动难题提供了新方案。

航空航天“血管”的振动困境：传统方法为何失灵？

分支管道系统广泛存在于航空航天领域，如飞机发动机的燃油管路、航天器的推进剂输送系统。当流体在分支处高速流动时，流固耦合效应会引发管道剧烈振动，就像“水流冲击软管”时产生的抖动，长期积累可能导致焊缝开裂、结构失效。传统建模方法要么采用简化的梁单元模型，难以精确计算应力；要么依赖全尺寸有限元模拟，计算量巨大，难以满足工程需求。

“就像用放大镜看一幅画，传统方法要么看得不够细，要么细节太多看不清全貌。”研究团队指出，现有方法还普遍忽视了流体扰动的影响——当管道受到冲击时，流体压力波动可能超过10MPa，进一步加剧振动。因此，开发一种兼顾精度与效率的动态建模方法成为当务之急。

降阶建模“双剑合璧”：FEM+ATMM如何实现精准模拟？

针对这一挑战，团队提出“ATMM-FEM”混合建模方法：先用有限元法构建管道的固体域模型，捕捉应力应变细节；再用吸收传递矩阵法处理流体域扰动，通过“降阶”技巧大幅缩减计算量。形象地说，这种方法如同“智能拼图”——将复杂管道拆分为多个子结构，保留关键自由度（如分支点位移），忽略次要细节，既保证精度又提升效率。

为验证方法有效性，团队在H形分支管道上进行实验：通过锤击激励模拟振动，对比仿真与实测的应力响应。结果显示，两者最大偏差仅9.98%，远低于工程可接受误差。更重要的是，该方法能清晰揭示振动传递机制：瞬态振动本质是动能、应变能与阻尼能的转换，而稳态振动则与管道的固有模态密切相关——就像不同乐器的音色由其振动模式决定。

分支位置“牵一发而动全身”：振动模式竟会“互换身份”？

研究还发现一个有趣现象：当分支位置在特定“频率偏移区”变化时，管道的振动模态会发生“身份互换”。例如，原本沿管道轴向的振动可能突然转为径向振动，这种“模态交换”会导致振动传递路径改变，甚至引发共振。团队通过能量分析指出，模态交换区域也是振动传递模式的转换点，这为管道布局优化提供了关键依据。

此外，流体速度和压力对振动的影响也被量化：亚临界流体速度（如120m/s）会改变主传递路径的方向，而压力波动则增强阻尼效应，降低振动能量。这些发现为工程实践提供了明确指导——通过调整分支位置或流体参数，可有效抑制危险振动。

从实验室到生产线：航空航天管道安全添“新保险”

目前，该方法已在多分支管道系统中验证了可行性，下一步将结合机器学习实现振动预测的实时化。研究指出，未来可将降阶模型嵌入管道设计软件，工程师在电脑上就能模拟不同工况下的振动风险，大幅缩短研发周期。

“这不仅是建模方法的突破，更是为航空航天装备安上了‘振动预警雷达’。”业内专家评价，该成果为解决复杂管道系统的动态分析难题提供了通用框架，有望在能源、化工等领域推广应用。

来源: FME机械工程前沿