飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)隔振設(shè)計(jì)及振動(dòng)特性分析

王 典， 黃尚友， 闞玉平， 房 靜

(西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司西飛設(shè)計(jì)院,西安 710089)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的主要振源之一,發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)通過(guò)安裝系統(tǒng)傳遞到飛機(jī)機(jī)體上,引起飛機(jī)艙內(nèi)噪聲及機(jī)體振動(dòng),導(dǎo)致部分機(jī)載設(shè)備損壞,影響飛行安全。美國(guó)民航規(guī)章FAR-25和中國(guó)民航規(guī)章CCAR-25也明確規(guī)定為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)引起的響應(yīng),發(fā)動(dòng)機(jī)安裝裝置應(yīng)采取隔振措施或吸能裝置[1]。

近年來(lái),研究者越來(lái)越關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)隔振設(shè)計(jì)。Rancourt等[2]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比研究了發(fā)動(dòng)機(jī)隔振安裝與硬安裝的振動(dòng)傳遞效率,表明隔振安裝的必要性。Taylor等[3]研究了活塞式螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的會(huì)聚式安裝系統(tǒng)的振動(dòng)解耦方法。Depriest[4]引入傳遞率和性能比的概念,并介紹了一系列隔振安裝有效措施。Swanson等[5]推導(dǎo)了活塞螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)的隔振效率計(jì)算公式,并以其為目標(biāo)函數(shù)對(duì)隔振器剛度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。施榮明[6]提出利用黏彈性阻尼隔振結(jié)構(gòu)塊進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)的三向隔振的分析和設(shè)計(jì)方法研究,在飛機(jī)前設(shè)備艙能降低振動(dòng)載荷15%,則可提高動(dòng)強(qiáng)度壽命2.5倍。林國(guó)政[7]闡述了典型翼吊商用飛機(jī)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)安裝減振器能有效提高隔振性能。陳永輝等[8]首次提出采用振動(dòng)能量解耦理論開展某型渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)的隔振設(shè)計(jì)方案。陳熠等[9]分析了高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)翼向機(jī)身結(jié)構(gòu)傳遞的載荷特性,用于指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)隔振安裝設(shè)計(jì)。宋波濤等[10]分析了翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)吊架結(jié)構(gòu)的減振特性,并研究了吊架結(jié)構(gòu)減振效果與結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度的關(guān)系。許飛等[1]研究了隔振器參數(shù)和安裝位置對(duì)安裝系統(tǒng)隔振性能的影響規(guī)律。王會(huì)利等[11]研究了某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)隔振系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,計(jì)算了系統(tǒng)的固有頻率及隔振效率。

上述文獻(xiàn)均未從振動(dòng)解耦角度研究渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)。現(xiàn)以某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)隔振設(shè)計(jì)為研究目標(biāo),開展六自由度隔振設(shè)計(jì),研究多個(gè)隔振器三軸靜剛度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)固有頻率及解耦率的影響,為隔振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參數(shù)輸入。并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析,計(jì)算六自由度振動(dòng)傳遞率,研究隔振設(shè)計(jì)方法的有效性。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)理論模型

1.1 安裝系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的建立

某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)六自由度模型如圖1所示,為雙安裝面4點(diǎn)安裝形式。在進(jìn)行安裝系統(tǒng)隔振設(shè)計(jì)時(shí),由于發(fā)動(dòng)機(jī)的剛度遠(yuǎn)大于隔振裝置的剛度,因此將發(fā)動(dòng)機(jī)視作剛體,由4個(gè)橡膠隔振器支承在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架上,每個(gè)隔振器可簡(jiǎn)化為三向正交的彈簧阻尼元件,在微小振幅作用下,阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率的影響較小,可忽略不計(jì)。坐標(biāo)系原點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)重心,X軸沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸線,向前為正；Y軸垂直于X軸,向上為正；Z軸與X、Y軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系,向右為正。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)六自由度模型Fig.1 6-DOF model of the engine installation system

建立安裝系統(tǒng)六自由度無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程:

式(1)中，M、K分別為系統(tǒng)的質(zhì)量及剛度矩陣。

將矩陣M、K代入系統(tǒng)的特征方程中:

|K-ω2M|=0 (2)

可求得系統(tǒng)的固有頻率ω1<ω2<…<ω6,并將所求的頻率代入式(1),可求得各階振型矩陣φ。

1.2 能量法解耦

能量法解耦是根據(jù)六階振型得到系統(tǒng)在各個(gè)自由度的能量分布,將六階模態(tài)能量分別集中到能量占優(yōu)的自由度上,達(dá)到振動(dòng)解耦的目的。當(dāng)系統(tǒng)以第i階固有頻率振動(dòng)時(shí)的總能量為

則第k行第l列的能量為

式中：φi為φ的第i個(gè)列向量,即第i階振型矩陣；φik、φil分別是φi的第k及第l個(gè)元素；Mkl是質(zhì)量矩陣的第k行第l列元素；ωi為系統(tǒng)第i階固有頻率；i,k,l=1,2,…,6。

由此可以得系統(tǒng)第i階固有頻率振動(dòng)時(shí),第k個(gè)廣義坐標(biāo)分配的能量占系統(tǒng)總能量的百分比(即解耦率)為

解耦率的變化范圍為0～100%,解耦率為100%時(shí),則該階模態(tài)振動(dòng)完成解耦。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)隔振設(shè)計(jì)

2.1 隔振器參數(shù)設(shè)計(jì)

某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量為2 664 kg,發(fā)動(dòng)機(jī)三軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、在發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心坐標(biāo)系下的安裝坐標(biāo)如表1、表2所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Table 1 Inertia properties of the engine

表2 隔振器安裝坐標(biāo)Table 2 Inertia coordinates of each isolator

忽略外力、扭轉(zhuǎn)剛度,在低頻激勵(lì)下阻尼器的影響用動(dòng)剛度描述,彈性主軸的動(dòng)剛度取為主軸靜剛度的1.3倍。后安裝點(diǎn)不傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)推力,因此后安裝面隔振器無(wú)航向剛度。根據(jù)彈性中心的定義:作用于被支承物體上的一個(gè)任意方向的外力,讓被支承物只會(huì)發(fā)生平移運(yùn)動(dòng),而不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的點(diǎn),就成為安裝系統(tǒng)的彈性中心,即安裝系統(tǒng)6個(gè)自由度上的彈性中心落在發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心處,以消去剛度矩陣的耦合項(xiàng),就可以得到振動(dòng)解耦,則可得到以下方程:

圖對(duì)系統(tǒng)解耦率的影響Fig.2 Influence of on the decoupling ratios

圖對(duì)固有頻率的影響Fig.3 Influence of on natural frequencies

圖對(duì)系統(tǒng)解耦率的影響Fig.4 Influence of on the decoupling ratios

圖對(duì)固有頻率的影響Fig.5 Influence of on natural frequencies

圖對(duì)系統(tǒng)解耦率的影響Fig.6 Influence of on the decoupling ratios

圖對(duì)固有頻率的影響Fig.7 Influence of on natural frequencies

表3 各隔振器的靜剛度Table 3 Static stiffness of each isolator

表4 安裝系統(tǒng)固有頻率和解耦率Table 4 Frequencies and decoupling ratios of the mounting system

由表4可知:安裝系統(tǒng)固有頻率均在50 Hz以下,滿足隔振要求。Y軸和繞X軸兩個(gè)方向的固有頻率間隔1.9 Hz,滿足相鄰兩階固有頻率至小間隔0.5～1 Hz的要求。各向解耦率均能達(dá)到85%以上,沿Y軸實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立振動(dòng),隔振效果良好。

2.2 振動(dòng)傳遞率仿真

對(duì)安裝系統(tǒng)通過(guò)模態(tài)疊加法計(jì)算0～160 Hz范圍內(nèi)六自由度的振動(dòng)傳遞率,X軸、Y軸、Z軸、繞X軸、繞Y軸、繞Z軸振動(dòng)傳遞率曲線如圖8、圖9所示。

圖8 X、Y、Z軸傳遞率曲線Fig.8 Vibration transmissibility curve in X、Y、Z directions

圖9 繞X軸、繞Y軸、繞Z軸傳遞率曲線Fig.9 vibration transmissibility curve in RX、RY、RZ directions

從圖8、圖9可知,傳遞率曲線中峰值頻率對(duì)應(yīng)各向的固有頻率,繞Z軸傳遞率曲線中有兩個(gè)峰值接近的共振峰,這是由于該方向在峰值頻率處的振動(dòng)耦合程度較高,其余自由度方向均存在很弱的振動(dòng)耦合,基本滿足工程實(shí)際需求。另外,在發(fā)動(dòng)機(jī)一階固有頻率處(150 Hz)安裝系統(tǒng)各向振動(dòng)傳遞率均接近0,隔振效果良好,表明了安裝系統(tǒng)隔振設(shè)計(jì)方法的有效性。

3 結(jié)論

為提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)隔振性能,以某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)雙安裝系統(tǒng)為研究對(duì)象,采用彈性中心理論及能量解耦原理,開展了六自由度隔振設(shè)計(jì),優(yōu)選出各點(diǎn)隔振器的剛度參數(shù),計(jì)算了安裝系統(tǒng)固有頻率及振動(dòng)傳遞率,并研究了安裝系統(tǒng)六自由度方向振動(dòng)傳遞率,得到如下結(jié)論。

(2)計(jì)算優(yōu)選隔振器剛度條件下安裝系統(tǒng)解耦率、固有頻率及振動(dòng)傳遞率。安裝系統(tǒng)各方向解耦率均達(dá)到85%以上,前6階固有頻率均在50 Hz以下,處于隔振區(qū)域,提高了系統(tǒng)隔振性能,滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)隔振設(shè)計(jì)的要求,安裝系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)一階固有頻率(150 Hz)處各向振動(dòng)傳遞率均接近0,驗(yàn)證了隔振設(shè)計(jì)方法的有效性。提出的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)的隔振設(shè)計(jì)方法,為飛機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)隔振設(shè)計(jì)提供了有益的參考,對(duì)機(jī)體降噪設(shè)計(jì)也有重要的意義。