大型客機(jī)風(fēng)車不平衡振動(dòng)載荷傳遞特性研究

白 杰，李 廣，王 偉

（中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300）

0 引言

風(fēng)車不平衡是一種非正常工作狀態(tài)，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)軸支撐失效、風(fēng)扇葉片喪失及其附帶損傷引起，其產(chǎn)生的重大載荷和振動(dòng)遍及整個(gè)機(jī)體結(jié)構(gòu)［1］。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于風(fēng)車不平衡狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)能夠降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)本身的疲勞強(qiáng)度，振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲以寬頻脈動(dòng)壓力的形式作用于受影響的結(jié)構(gòu)表面，且駕駛艙振動(dòng)會(huì)影響機(jī)組人員做出關(guān)閉受損發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵決策，以及在剩余飛行階段中實(shí)施其他操作的能力。

直徑變大和轉(zhuǎn)速降低成為現(xiàn)代民用大尺寸高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的顯著特點(diǎn)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子頻率隨著轉(zhuǎn)速的降低而減小，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率降低到低頻區(qū)域，與飛機(jī)結(jié)構(gòu)本身固有頻率接近，可能產(chǎn)生導(dǎo)致共振的中低頻段［2］。為了減小發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車不平衡狀態(tài)下產(chǎn)生的振動(dòng)量，必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)進(jìn)行有效控制，并研究其傳遞路徑。

本文依據(jù)空客A320相關(guān)尺寸，通過(guò)Patran＆Nastran有限元分析軟件建立符合飛機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的“吊架—機(jī)翼—機(jī)身”有限元模型；利用Patran分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)固有特性，得到了發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車不平衡狀態(tài)下傳播到機(jī)翼和機(jī)身各隔框的振動(dòng)載荷情況。

1 建立A320飛機(jī)動(dòng)力學(xué)有限元模型

A320飛機(jī)具有大展弦比的升力面，可采用梁式結(jié)構(gòu)模擬器結(jié)構(gòu)模型。

1.1 翼面模型的建立

翼面結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)翼、垂尾和平尾。機(jī)翼結(jié)構(gòu)由蒙皮、桁條、翼梁、縱墻和翼肋等5種類型結(jié)構(gòu)件構(gòu)成。

梁式結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的機(jī)翼、垂尾和平尾結(jié)構(gòu)形式。在建立機(jī)翼有限元模型時(shí)，依據(jù)機(jī)體結(jié)構(gòu)主傳力路線進(jìn)行簡(jiǎn)化，略去前緣縫翼、后緣襟翼、副翼等部件的影響，只建立機(jī)翼前梁、后梁和翼肋梁結(jié)構(gòu)［3］。采用靈敏度分析方法對(duì)建立的初始機(jī)翼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行動(dòng)力特性修正，最終使機(jī)翼雙梁有限元模型與目標(biāo)機(jī)翼的動(dòng)力特性基本一致。

1.2 機(jī)身結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的建立

機(jī)身結(jié)構(gòu)主要由隔框和桁梁構(gòu)成。A320機(jī)身屬大細(xì)長(zhǎng)比機(jī)身，其普通框和加強(qiáng)框采用環(huán)形剛框式結(jié)構(gòu)。從總體受力來(lái)看，機(jī)身是支持在機(jī)翼上的一個(gè)管梁，機(jī)身的縱向尺寸遠(yuǎn)大于橫向尺寸，一般采用單梁?jiǎn)卧M機(jī)身剛度分布情況，將彎矩和扭矩的分布質(zhì)量聚縮于各隔框中心處，從而建立集中質(zhì)點(diǎn)和集中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量式單元。

1.3 建立發(fā)動(dòng)機(jī)吊架及連接機(jī)翼和機(jī)身模型

現(xiàn)代民用大型客機(jī)的翼下吊架結(jié)構(gòu)一般是由鋁、鈦或鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成的盒式梁組成。通過(guò)對(duì)實(shí)際吊架的測(cè)量，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)吊架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型，其采用超靜定空間鋼架結(jié)構(gòu)，并簡(jiǎn)化風(fēng)扇機(jī)匣位置（前掛點(diǎn)）及低壓渦輪位置（后掛點(diǎn)）。發(fā)動(dòng)機(jī)吊架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖1。

翼肋及機(jī)翼前后梁通過(guò)MPC多點(diǎn)約束單元?jiǎng)傂赃B接在有限元機(jī)身結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)隔框上［4］。

采用連接元將吊架上的上連接點(diǎn)、中連接點(diǎn)、側(cè)向連接點(diǎn)以及下連接點(diǎn)模擬銷接于第8＃翼肋位置。發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架、平尾以及垂尾等部件按剛體處理，采用集中質(zhì)量卡模擬其質(zhì)量并作用于質(zhì)心處，并用MPC多點(diǎn)約束單元連接至相應(yīng)結(jié)構(gòu)上。全機(jī)半模結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有限元模型見(jiàn)圖2。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)吊架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型

圖2 全機(jī)半模結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有限元模型

2 機(jī)體模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有特性，結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的主要作用是：①分析結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，避免結(jié)構(gòu)之間相互作用產(chǎn)生共振；②為模態(tài)頻率分析提供一定的依據(jù)。

飛機(jī)作為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，當(dāng)進(jìn)行全機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算時(shí)，將相應(yīng)的對(duì)稱與反對(duì)稱約束施加在有限元模型上［5］，進(jìn)而得到全機(jī)對(duì)稱模態(tài)和反對(duì)稱模態(tài)，全機(jī)動(dòng)力模型的模態(tài)頻率及振型［6］見(jiàn)表1和圖3。

表1 全機(jī)動(dòng)力模型的模態(tài)頻率

圖3 全機(jī)半模結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型的主要低階振型

3 巡航狀態(tài)風(fēng)扇不平衡振動(dòng)載荷特性

某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)空停導(dǎo)致的風(fēng)車不平衡狀態(tài)下前、后掛點(diǎn)的實(shí)測(cè)振動(dòng)速度譜見(jiàn)圖4，該型發(fā)動(dòng)機(jī)在最大巡航推力和空中停車這兩種工況下前、后掛點(diǎn)的振動(dòng)譜見(jiàn)表2?？梢园l(fā)現(xiàn)風(fēng)車不平衡狀態(tài)下振動(dòng)量明顯小于正常巡航階段下的振動(dòng)載荷，并且其振動(dòng)能量主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)低壓、高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)頻N1、N2及其倍頻處。

4 風(fēng)車不平衡振動(dòng)載荷傳遞特性分析

基于在發(fā)動(dòng)機(jī)前、后掛點(diǎn)處加載獲得的風(fēng)扇不平衡振動(dòng)譜，根據(jù)結(jié)構(gòu)特性設(shè)置對(duì)稱與反對(duì)稱條件，采用Nastran模態(tài)頻率響應(yīng)分析模塊，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇不平衡振動(dòng)載荷經(jīng)過(guò)吊架、機(jī)翼傳遞到機(jī)身各隔框上的載荷特性。這里提取了機(jī)身結(jié)構(gòu)各隔框段在倍頻下的振動(dòng)響應(yīng)分量［7］，如圖5所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車不平衡振動(dòng)速度譜

（1）沿機(jī)身前部21號(hào)隔框及其他隔框處的橫向及垂向振動(dòng)加速度響應(yīng)譜具有明顯的離散特性。

（2）風(fēng)車不平衡狀態(tài)下機(jī)身垂向及橫向振動(dòng)能量都集中在N1頻率及其倍頻下，因在風(fēng)車狀態(tài)下燃燒室停止工作，風(fēng)車轉(zhuǎn)子在氣動(dòng)力作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的振動(dòng)量占主要作用，發(fā)動(dòng)機(jī)不平衡振動(dòng)載荷主要集中在N1頻率下，所以機(jī)身在N1頻率下振動(dòng)最為顯著。

表2 某型發(fā)動(dòng)機(jī)兩種工況下振動(dòng)譜

5 總結(jié)

（1）通過(guò)查詢相關(guān)資料建立吊架－機(jī)翼－機(jī)身全機(jī)半模結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有限元模型，較準(zhǔn)確地反映出大型民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。

（2）估算了民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在風(fēng)車不平衡狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)載荷經(jīng)吊架、機(jī)翼傳到機(jī)身各框的振動(dòng)載荷，為發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車不平衡的適航審定要求提供了機(jī)身振動(dòng)載荷譜輸入數(shù)據(jù)。

（3）對(duì)比機(jī)身各個(gè)隔框的振動(dòng)情況發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)不平衡振動(dòng)載荷主要集中在N1頻率及其倍頻下，而N2頻率下振動(dòng)量小。原因在于風(fēng)車狀態(tài)下燃燒室停止工作，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在氣動(dòng)力作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而風(fēng)扇不平衡振動(dòng)起主要作用。

圖5 風(fēng)車不平衡狀態(tài)下機(jī)身各隔框處倍頻下的振動(dòng)響應(yīng)

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