当航空发动机的燃油管路因振动发出细微异响时，背后可能隐藏着致命风险。分支输液管道作为航空航天装备的“生命线”，其流固耦合振动一直是工程界的难题。近日，东北大学孙伟团队在《Frontiers of Mechanical Engineering》发表研究，首次揭示了分支位置变化引发的“模态交换”现象，并提出一种高效的降阶建模方法，为管道系统的振动控制提供了全新视角。

传统建模的“两难困境”：精度与效率如何平衡？

在航天器和飞机发动机中，Y形、T形等复杂分支管道系统负责输送关键流体。当高速流体流经分支节点时，流固耦合效应会像“无形的手”拍打管道，引发振动。传统分析方法要么采用简化模型，忽略流体扰动细节，导致应力计算偏差达6.6%；要么依赖全尺寸仿真，计算量堪比“用超级计算机解一道微积分题”，难以满足工程需求。

更棘手的是，现有方法无法解释一个奇特现象：当分支位置微调时，管道的振动模式可能突然“互换身份”——原本沿轴向的振动转为径向摆动，就像“琴弦突然改变了振动方向”。这种模态交换可能导致共振频率骤变，给结构安全埋下隐患。

ATMM-FEM“混合术”：给管道振动装“CT扫描仪”

为破解这一难题，团队提出融合有限元法（FEM）与吸收传递矩阵法（ATMM）的“双剑合璧”方案。该方法先将管道拆分为多个子结构，用FEM精细计算固体域应力，再用ATMM处理流体扰动，通过“降阶”技术将矩阵维度压缩，计算效率提升显著。形象地说，这如同“给管道做CT扫描”：既看清局部应力细节，又掌握整体振动趋势。

实验验证中，团队在H形管道上施加锤击激励，对比仿真与实测数据。结果显示，应力响应最大误差仅9.98%，远优于传统方法。更关键的是，该模型首次清晰捕捉到模态交换过程：当分支位置进入“频率偏移区”，管道的一阶与二阶振动模式会发生“交叉互换”，就像“两条振动曲线在特定点交汇后互换轨道”。

流体参数的“隐形推手”：速度与压力如何调控振动？

研究还发现，流体速度和压力是振动的“隐形调控者”。当流体速度达到120m/s（亚临界状态）时，主传递路径的振动方向会发生偏转；而30MPa的压力波动则像“减震器”，通过增强阻尼效应降低振动能量。这些发现为工程设计提供了量化指南：通过优化分支位置和流体参数，可使管道振动幅度降低40%以上。

“就像调整乐器的弦长和张力，我们能通过参数优化让管道‘唱’出更安全的频率。”团队解释，模态交换区域同时也是振动传递模式的转换点，这一发现为管道布局优化提供了关键依据。

从实验室到蓝天：航空航天振动控制迈入“精准时代”

目前，该方法已应用于压缩机管路和涡轮机组的振动分析。未来，结合机器学习算法后，工程师可在电脑上实时模拟不同工况下的振动风险，大幅缩短航天器管路的研发周期。业内专家认为，这项研究不仅解决了复杂管道系统的动态建模难题，更为能源、化工等领域的管道安全提供了通用解决方案。

来源: FME机械工程前沿