飛機(jī)為什么要做全機(jī)地面振動試驗(yàn)

王軍朋

18世紀(jì)中葉，一隊(duì)士兵在指揮官的口令下，邁著威武雄壯、整齊劃一的步伐，通過法國昂熱市一座大橋，快走到橋中間時，橋梁突然發(fā)生強(qiáng)烈的顫動并且最終斷裂坍塌，造成許多官兵和市民落入水中喪生。后經(jīng)調(diào)查，造成這次慘劇的罪魁禍?zhǔn)?，正是共振?/p>

在我們的生活中，共振現(xiàn)象并不少見，并且通常具有一定的危害性，因此需要采取科學(xué)方法避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。

飛機(jī)在飛行過程中會受到來自于發(fā)動機(jī)的振動以及氣動力的脈動等各種形式的振動載荷，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，飛機(jī)在這些載荷作用下就會產(chǎn)生明顯的振動（共振），當(dāng)外載荷激勵頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率接近時，結(jié)構(gòu)響應(yīng)會顯著增大，除了降低乘員的舒適性，還會惡化機(jī)載設(shè)備的工作環(huán)境，甚至造成結(jié)構(gòu)破壞， 嚴(yán)重時會影響飛機(jī)的飛行安全。所以，飛機(jī)設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)中一般會遵循頻率分離原則，盡量避免飛機(jī)的主要頻率與主要載荷頻率發(fā)生耦合。

如何讓設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)更加合理，避免上述問題呢？飛機(jī)設(shè)計(jì)師在多年工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了一套完整的分析和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：一方面通過分析，確定各種工作條件下飛機(jī)的響應(yīng)，并通過修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得響應(yīng)控制在安全范圍內(nèi);另一方面通過試驗(yàn)對分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，確保分析結(jié)果合理可信，這里的試驗(yàn)主要是地面振動試驗(yàn)，也稱為地面共振試驗(yàn)。

對于飛機(jī)地面振動試驗(yàn)而言，激勵方法和模態(tài)分析方法是試驗(yàn)的重要內(nèi)容。試驗(yàn)中通常采用激振器（可以理解為電機(jī)，只不過將電機(jī)的圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線往復(fù)運(yùn)動）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵，使飛機(jī)發(fā)生微幅振動，同時使用各種傳感器測試振動信號，并對振動信號進(jìn)行分析，從而獲得飛機(jī)的固有振動特性。飛機(jī)結(jié)構(gòu)在不同激勵頻率下響應(yīng)不同，通過記錄結(jié)構(gòu)響應(yīng)，利用參數(shù)識別的方法即可獲得結(jié)構(gòu)的振動特性。

在試驗(yàn)中，飛機(jī)支持方式具有重要意義，其合理與否直接關(guān)系到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，甚至試驗(yàn)的成敗。因此支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)是全機(jī)地面共振試驗(yàn)的基礎(chǔ)性工作，一般情況下包括支持剛度條件、靜力平衡條件、穩(wěn)定性條件、飛機(jī)姿態(tài)和支持部位等五個方面的因素。在支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，還需要對飛機(jī)在特定支持狀態(tài)下的剛體運(yùn)動頻率進(jìn)行估算。大、中型飛機(jī)試驗(yàn)時，可采用起落架支持或空氣彈簧支持的方式，也可以兩種方式結(jié)合使用，而對于小型飛機(jī)，除以上兩種外，也可以使用彈簧繩吊掛的方式。

軍機(jī)強(qiáng)度規(guī)范和民機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)要求，地面振動試驗(yàn)是各型號飛機(jī)首飛前必須完成的大型地面試驗(yàn)之一，試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要用于對飛機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的確認(rèn)，并通過修正后的分析模型，預(yù)計(jì)飛機(jī)的顫振特性和各種動態(tài)的相應(yīng)，并用于飛機(jī)的減震設(shè)計(jì)和飛行安全性評估等。

在中國，航空工業(yè)強(qiáng)度所擁有國內(nèi)一流的全機(jī)地面振動試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，自主設(shè)計(jì)了系列齊全的空氣彈簧支持裝置，研發(fā)了一套自主知識產(chǎn)權(quán)的專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件，已完成了百余架次飛機(jī)的地面振動試驗(yàn)。

多年來，航空工業(yè)強(qiáng)度所通過試驗(yàn)測試飛機(jī)結(jié)構(gòu)的特性，并對分析模型進(jìn)行驗(yàn)證，給飛機(jī)設(shè)計(jì)人員提供有效數(shù)據(jù)參考， 有效地保障了國產(chǎn)飛機(jī)的安全。