一種新型顫振激勵(lì)器的強(qiáng)度校核分析

劉鵬+尹念杰

摘 要：隨著民用飛機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，全電傳飛機(jī)逐步成為民機(jī)主流。然而，全電傳技術(shù)在帶來技術(shù)革命的同時(shí)，卻對(duì)顫振試飛帶來了諸多的難題，例如飛控主頻的限制會(huì)使得在飛控系統(tǒng)中注入激勵(lì)信號(hào)的傳統(tǒng)激勵(lì)方法無法激勵(lì)高階模態(tài)。為解決該項(xiàng)難題，中國商飛民用飛機(jī)試飛中心強(qiáng)度聲學(xué)專業(yè)設(shè)計(jì)里一種新型的顫振外部激勵(lì)器。本文在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合CFD初步仿真的激勵(lì)器受力結(jié)果，對(duì)該激勵(lì)器進(jìn)行了強(qiáng)度校核分析。

關(guān)鍵詞：顫振 結(jié)構(gòu) 強(qiáng)度校核

1.引言

中國商飛民用飛機(jī)試飛中心在總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的顫振外部激勵(lì)設(shè)備?？傮w設(shè)計(jì)上采用一個(gè)小翼，并在其后緣帶一個(gè)開縫旋轉(zhuǎn)圓柱。通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使得圓筒進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，改變激勵(lì)器附近的流場(chǎng)特性，產(chǎn)生所需要的激勵(lì)力。本文將在次機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理的簡化及建模，并結(jié)合其在真實(shí)工作環(huán)境下的受力情況，進(jìn)行強(qiáng)度校核分析。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及簡化

激勵(lì)器結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)為一個(gè)對(duì)稱翼面結(jié)構(gòu)作為受力單元，翼面后部為帶有對(duì)稱90°開縫的同心圓筒（分為內(nèi)筒及外筒）。為固定圓筒及保證同心度，設(shè)計(jì)了左右兩個(gè)端肋。

進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，忽略內(nèi)筒，只分析小翼、外筒和它們之間的連接件的組合結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型如圖1所示。

3.校核分析

3.1網(wǎng)格劃分及材料屬性

使用ansa13.2軟件進(jìn)行有限元前處理，采用四面體體網(wǎng)格，將整個(gè)模型劃分成146013個(gè)網(wǎng)格。整體翼面使用航空鋁，內(nèi)、外筒使用材料鋼，均為均勻各向同性材料。

3.2模態(tài)計(jì)算

進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，將激勵(lì)系統(tǒng)靠近機(jī)翼的一端設(shè)置為固定邊界條件。采用lanczos模態(tài)求解器，進(jìn)行激勵(lì)系統(tǒng)前5階固有頻率計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分別為265.72Hz、350.71Hz、706.00Hz、832.09Hz、1494.30Hz。

由于激勵(lì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)頻率為1-50Hz（內(nèi)筒轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為0.5-25Hz，氣動(dòng)力變化頻率為1-50Hz），而從計(jì)算結(jié)果可以看出，系統(tǒng)最低固有頻率為265.72Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣動(dòng)力變化頻率，因此系統(tǒng)本身不存在發(fā)生顫振的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3應(yīng)力分析

將連接邊上耳片一端定義為固定位移的邊界條件，，在整個(gè)計(jì)算域中定義重心加速度，作為體積力條件，在激勵(lì)系統(tǒng)上下表面施加均布載荷，定義航向載荷合力為1500N，翼面垂向載荷力為2000N。圖2、圖3分別是結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖和位移云圖。激勵(lì)系統(tǒng)的固定耳片端部上下表面以及兩耳片連接部位的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在耳片與小翼的連接部位，為64.4971MPa。激勵(lì)系統(tǒng)的自由端部位移最大，最大位移為1.25309mm。

單獨(dú)拿出外筒進(jìn)行靜力分析，圓筒一端固定位移為0，整個(gè)筒承受航向上的風(fēng)阻，以最大風(fēng)速0.9馬赫為例，風(fēng)速取300m/s，風(fēng)力壓載=1/2ρν2=0.13MPa，航向上給圓筒另一端載荷1500N，翼面垂向上2000N，并固定另一端航向上的位移?？梢缘玫轿灰茍D如圖4。

通過單獨(dú)取出鋼制圓筒進(jìn)行受力分析，可以看出最大位移為0.046353mm，變形系數(shù)為2.318%，滿足工程上變形系數(shù)控制在5%以內(nèi)。最大應(yīng)力發(fā)生在開孔邊角上，最大應(yīng)力為60MPa滿足鋼的許用應(yīng)力。

4.結(jié)論

本文采用ansys有限元軟件，對(duì)激勵(lì)系統(tǒng)氣動(dòng)部分進(jìn)行了初步的模態(tài)分析和應(yīng)力、位移計(jì)算，通過分析，得出如下結(jié)論：

a）激勵(lì)系統(tǒng)的一階固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于顫振激勵(lì)時(shí)的氣動(dòng)力變化頻率，激勵(lì)系統(tǒng)自身不存在發(fā)生顫振的風(fēng)險(xiǎn)，無需另外進(jìn)行系統(tǒng)的防顫振設(shè)計(jì)；

b）激勵(lì)系統(tǒng)大部分位置的應(yīng)力都非常小，在固定端部和支撐處存在集中應(yīng)力，且最大應(yīng)力值也小于材料的許用應(yīng)力，即材料應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] LURA VERNON. In-flight investigation of a ratating cylinder-based structural excitation system for flutter testing [R]. AIAA Paper， 93-1573-CP， 1993.