鉸接連桿式安裝系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性測(cè)試及分析

王建強(qiáng),陳永輝 ,燕 群,陳春蘭,王會(huì)利

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所,西安 710065)

        摘  要:目前渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)中大多采用鉸接連桿式安裝節(jié)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)翼的連接,測(cè)試與分析鉸接連桿式安裝節(jié)的 振動(dòng)傳遞特性對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的減隔振安裝設(shè)計(jì)有重要作用。本文以某型發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)為參考,設(shè)計(jì)了由發(fā)動(dòng)機(jī)假件、前/后安裝節(jié) 縮比模型以及吊掛組成的安裝系統(tǒng)原理驗(yàn)證模型。以原理驗(yàn)證模型為研究對(duì)象采用激振器及真空吸盤(pán)進(jìn)行了剛體模態(tài)試驗(yàn)及振動(dòng) 傳遞試驗(yàn),得到了發(fā)動(dòng)機(jī)剛體模態(tài)與安裝系統(tǒng)力傳遞率-頻率曲線,并分析確定了振動(dòng)傳遞的主路徑。結(jié)果表明: 剛體運(yùn)動(dòng)模態(tài)主 要集中在 100Hz 以下,并且模態(tài)耦合現(xiàn)象比較嚴(yán)重;60Hz 以下,振動(dòng)傳遞主路徑為發(fā)動(dòng)機(jī)-前安裝節(jié)-吊掛; 60Hz~120Hz 帶寬內(nèi), 振動(dòng)傳遞主路徑為發(fā)動(dòng)機(jī)-后安裝節(jié)-吊掛; 在一階轉(zhuǎn)速附近,力傳遞率小于 1,本文所設(shè)計(jì)安裝節(jié)縮比模型具備隔振功能。同時(shí), 本文研究可為后續(xù)研究中渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)建模與仿真方法的驗(yàn)證以及安裝系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)支持,并為全尺 寸渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)隔振試驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。

        關(guān)鍵詞:鉸接連桿式安裝節(jié);剛體模態(tài);力傳遞率;縮比模型;隔振 

        航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的主要振源之一,其減隔振安裝是飛機(jī)振動(dòng)控制, 尤其是改善艙內(nèi)振動(dòng)環(huán)境的重要措施[1] 。中國(guó)民航CCAR-25和美國(guó)民航FAR-25均明確規(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)采取減隔振措施[2]。

        上世紀(jì)八九十年代,空客和波音先后在主力窄體客機(jī)上采用鉸接連桿機(jī)構(gòu)式的安裝節(jié)替代具有專用隔振裝置的安裝方式,利用此類機(jī)構(gòu)的低剛度和鉸接結(jié)構(gòu)的碰摩阻尼來(lái)達(dá)到減/隔振效果,同時(shí)提高了結(jié)構(gòu)可靠性,代表機(jī)型有B737NG 、A320等。從國(guó)外渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)的發(fā)展歷程來(lái)看,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)從最初的剛性連接到如今采用的高可靠性安裝節(jié),其中伴隨著顯著的技術(shù)進(jìn)步。 而鉸接連桿式吊掛系統(tǒng)力學(xué)建模與振動(dòng)傳遞特性分析是安裝節(jié)研制過(guò)程中重要的技術(shù)手段。雷勁博等[3]建立了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)的多體動(dòng)力學(xué)模型, 通過(guò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算, 分析了安裝節(jié)的傳遞路徑及隔振特性。宋波濤等[4]建立 了翼下吊掛的等效模型,分析了不同實(shí)測(cè)載荷工況下吊 掛結(jié)構(gòu)的減振特性。陳熠等[5]針對(duì)A320建立了“吊掛-機(jī) 翼-機(jī)身”結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)有限元模型,得到了發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng) 載荷經(jīng)機(jī)翼傳遞至機(jī)身各框段的傳遞特性。許飛[6]等建立了發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)-吊架-機(jī)翼結(jié)構(gòu)理論分析及有限元模型, 利用有限元方法進(jìn)行了模態(tài)驗(yàn)證并分析了安裝結(jié)構(gòu)的隔振特性,確定了振動(dòng)傳遞的主路徑。

        上述研究中大多通過(guò)仿真建模的方法進(jìn)行安裝系統(tǒng)傳遞特性的研究,缺乏相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證,而目前針對(duì)鉸接連桿式安裝節(jié)振動(dòng)傳遞方面的相關(guān)試驗(yàn)研究較少。為此, 本文以某型發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)為參考,設(shè)計(jì)了由發(fā)動(dòng)機(jī)假件、前/后安裝節(jié)縮比模型以及吊掛組成的安裝系統(tǒng)原理驗(yàn)證模型;采用小型激振器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)假件施加垂向及側(cè)向載荷,獲取了發(fā)動(dòng)機(jī)假件剛體模態(tài);采用大型激振器施加通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)假件質(zhì)心的垂向激勵(lì), 采用真空吸盤(pán)方式實(shí)現(xiàn)了較大載荷的加載, 采用粘貼應(yīng)變片方式實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)載荷的測(cè)試,最終得到了力傳遞率-頻率曲線。

1 安裝系統(tǒng)原理驗(yàn)證模型

1. 1 驗(yàn)證模型建立

        渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)采用的鉸接連桿式安裝節(jié),通常由前/后安裝節(jié)及推力桿組成,發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)前/后安裝節(jié)及推力桿懸吊于機(jī)翼下方的吊掛上,如圖1所示。

        為了研究鉸接連桿式安裝節(jié)的振動(dòng)傳遞特性,針對(duì) 某型發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的鉸接連桿式安裝系統(tǒng)(圖1),將其前/后安裝節(jié)中冗余設(shè)計(jì)部分進(jìn)行了簡(jiǎn)化,并按尺寸進(jìn)行縮比,得到了前/后安裝節(jié)的縮比模型,并建立了由發(fā)動(dòng)機(jī)假件、前/后安裝節(jié)縮比模型及吊掛組成的安裝系統(tǒng)原理驗(yàn)證模型, 如圖2所示?；谀Ｐ秃?jiǎn)化的思想,在設(shè)計(jì) 安裝節(jié)模型時(shí),將推力桿簡(jiǎn)化為單推力桿傳推。

圖 1  某型發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)示意圖

圖 2  安裝系統(tǒng)原理驗(yàn)證模型

1. 2 自由度分析

        驗(yàn)證模型與某型發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)的自由度分析如下:

        a) 原理驗(yàn)證模型:自由度為7×6-12×3=6 , 該6個(gè)自由度分別對(duì)應(yīng)為5個(gè)連桿及1個(gè)推力桿的轉(zhuǎn)動(dòng),結(jié)構(gòu)本身為靜定結(jié)構(gòu);

        b) 某型發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié): 相較驗(yàn)證模型,多一個(gè)推力桿及平衡梁,其自由度為9×6-14×3-5=7 , 該7個(gè)自由度分別對(duì)應(yīng)5個(gè)連桿及兩個(gè)推力桿的轉(zhuǎn)動(dòng),結(jié)構(gòu)本身為靜定結(jié)構(gòu)。

        對(duì)比驗(yàn)證模型及某型發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)模型自由度分析結(jié)果可知, 兩個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性相似, 均為靜定結(jié)構(gòu),  單推力桿形式并不影響整個(gè)系統(tǒng)的自由度分布, 兩種方式的載荷傳遞特性一致。某型發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)的雙推力桿設(shè)計(jì)基于了冗余設(shè)計(jì)思想, 一般情況推力由兩個(gè)推力桿平均傳遞,當(dāng)一個(gè)推力桿失效時(shí), 推力載荷完全通過(guò)另一個(gè)推力桿傳遞; 而圖2所示模型作為試驗(yàn)驗(yàn)證模型, 無(wú)需考慮該冗余設(shè)計(jì)形式。

2 試驗(yàn)研究

        驗(yàn)證模型中發(fā)動(dòng)機(jī)假件為單一剛體模型;安裝節(jié)為多剛體機(jī)構(gòu),連接發(fā)動(dòng)機(jī)模擬件與吊掛模擬件,同時(shí)具有傳遞載荷和隔振作用; 吊掛模擬件為單一剛體模型,  與承力墻固定,是整個(gè)系統(tǒng)的固定部件。

        為了方便描述發(fā)動(dòng)機(jī)的6個(gè)自由度方向, 下面分別對(duì)這6個(gè)方向進(jìn)行定義, 如圖3所示。沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸向定義為航向,水平方向定義為側(cè)向, 豎直方向定義為垂向; 繞航向、側(cè)向和垂向的轉(zhuǎn)動(dòng)分別定義為滾轉(zhuǎn)方向, 俯仰方向和偏航方向。

圖 3   發(fā)動(dòng)機(jī)坐標(biāo)系方向定義

2. 1 模態(tài)試驗(yàn)

        模態(tài)試驗(yàn)采用移動(dòng)加速度計(jì)法進(jìn)行測(cè)量。測(cè)點(diǎn)編號(hào)及位置如圖4所示, 采用BK Pulse模態(tài)測(cè)試分析軟件進(jìn)行測(cè)試, 內(nèi)置建模如圖5所示。 

圖 4 測(cè)點(diǎn)編號(hào)及位置

圖 5   BK Pulse 建模

        試驗(yàn)時(shí), BK Pulse輸出控制信號(hào)通過(guò)BK 3160-A-042 控制激振器分別施加垂向及側(cè)向激勵(lì), 如圖6與圖7所示, 其中側(cè)向激勵(lì)采用橡皮繩吊掛, 激勵(lì)信號(hào)為隨機(jī)平譜,  帶寬為5Hz~205Hz,激勵(lì)量值為50N; 在測(cè)量點(diǎn)布置三向 加速度傳感器BK 4535B,通過(guò)BK 3153-B-120采集測(cè)點(diǎn)響應(yīng)。按照表1所示順序進(jìn)行測(cè)試.

              表1    測(cè)試順序

圖 6   垂向激勵(lì)

圖 7   側(cè)向激勵(lì)

2. 2 振動(dòng)傳遞試驗(yàn)

        由于發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛模擬件為單一剛體模型, 因此傳遞 率采用力傳遞率進(jìn)行表征[7] , 如式(1) 所示:T=F2/F1   (1)式中,   F1為激勵(lì)力,F2為傳遞至吊掛處的力。

        試驗(yàn)時(shí) ,  BK  Labshop 輸出控制信號(hào)通過(guò)BK 3160-A-042控制激振器施加過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心的垂向激勵(lì) F1 , 采用真空吸盤(pán)方式實(shí)現(xiàn)載荷的加載, 如圖8所示; 輸出力采用應(yīng)變測(cè)量的方式獲取,通過(guò)東華DH5929動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)采集,應(yīng)變粘貼位置及編號(hào)如圖9所示。為便于應(yīng)變響應(yīng)采集,圖9中吊掛與安裝節(jié)之間的連接件設(shè)計(jì)成壁厚為1mm的圓筒形式。

        注意:激勵(lì)力F1為正弦定頻,其有效值為200N , 激勵(lì)頻率范圍根據(jù)2.1節(jié)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果確定, 選取原則為覆蓋關(guān)心的剛體模態(tài)。

        試驗(yàn)后,按如下計(jì)算傳遞率:

        a) 整體傳遞率: 對(duì)各激勵(lì)頻率下4個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)域數(shù)據(jù)相加, 然后對(duì)時(shí)域數(shù)據(jù)處理求其有效值ε,依據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳遞的載荷,依據(jù)式(1) 計(jì)算整體傳遞率;

        b) 單點(diǎn)傳遞率: 對(duì)各激勵(lì)頻率下4個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)域數(shù)據(jù)處理分別求其有效值ε , 然后依據(jù)式(2)和式(3) 計(jì)算得到各點(diǎn)振動(dòng)傳遞的載荷, 根據(jù)式(1)計(jì)算各點(diǎn)傳遞率。

σ=E·ε                                       ( 2 )

F2=σ·A                                    ( 3 )

        式中,E為連接件材料彈性模量; A為連接件橫截面積。

 圖 8  真空吸盤(pán)加載

 圖 9  應(yīng)變粘貼位置及編號(hào)

3 結(jié)果及分析

3. 1 模態(tài)分析

        采用RFP-Z方法對(duì)BK Pulse記錄的傳遞函數(shù)進(jìn)行模態(tài)識(shí)別, 模態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)表2及圖10所示。

                  表2  模態(tài)分析結(jié)果

  a) 12.04Hz              b) 33.98Hz 

 c) 51.09Hz                d) 69.35Hz

e) 83.52Hz               f) 84.81Hz 

       圖 10  剛體模態(tài)

        對(duì)上述模態(tài)結(jié)果采用模態(tài)歸一化 ( Mode Normalization)方法進(jìn)行驗(yàn)證。各模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)的復(fù)雜性圖如圖11所示,通常,小阻尼系統(tǒng)的模態(tài)結(jié)果在極坐 標(biāo)圖中為同相或反相。如果各個(gè)自由度呈現(xiàn)隨機(jī)發(fā)散,  則說(shuō)明此頻率阻尼很大,可能是由于累計(jì)計(jì)算誤差得到的計(jì)算模態(tài),此模態(tài)頻率應(yīng)予以刪除。 由圖11可知, 各頻率對(duì)應(yīng)的復(fù)雜性圖一致性較高,因此模態(tài)測(cè)試結(jié)果較好

a) 12.04Hz                         b) 33.98Hz 

c) 51.09Hz                         d) 69.35Hz 

e) 83.52Hz                         f) 84.81Hz 

圖 11   復(fù)雜性圖

3. 2 振動(dòng)傳遞分析

        依據(jù)隔振原理,當(dāng)激勵(lì)頻率大于1.414f即處于隔振區(qū) [8] , 根據(jù)模態(tài)結(jié)果得關(guān)心的最高模態(tài)頻率為84.81Hz , 故振動(dòng)傳遞試驗(yàn)中激勵(lì)頻率范圍取6Hz~120Hz,取頻率間隔為2Hz。

        圖9中所示連接件材料為30crMnsiA , 其內(nèi)外半徑分別為12.5mm和13.5mm , 則其彈性模量E為210Gpa, 橫截面積為26平方毫米 。根據(jù)2.2節(jié)力傳遞率計(jì)算方法,計(jì)算得到前后安裝節(jié)各連接點(diǎn)傳遞率-頻率曲線以及安裝節(jié)整體傳遞率-頻率曲線如圖12及圖13所示。由圖12可知, 60Hz 以下,振動(dòng)傳遞主路徑為發(fā)動(dòng)機(jī)-前安裝節(jié)-吊掛;  60Hz~120Hz帶寬內(nèi),振動(dòng)傳遞主路徑為發(fā)動(dòng)機(jī)-后安裝節(jié)-吊掛。圖1所示某型發(fā)動(dòng)機(jī)一階轉(zhuǎn)速為59Hz , 由圖13可知, 57Hz~61Hz帶寬內(nèi)力傳遞率均小于1,正處于隔振范圍之內(nèi), 表明本文所設(shè)計(jì)安裝節(jié)縮比模型具備隔振功能。

圖 12   各點(diǎn)力傳遞率-頻率曲線

圖 13   安裝節(jié)整體力傳遞率-頻率曲線

4 結(jié)論

        本文以某型發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)為參考,設(shè)計(jì)了由發(fā)動(dòng)機(jī)假件、前/后安裝節(jié)縮比模型以及吊掛組成的安裝系統(tǒng)原理驗(yàn)證模型。采用激振器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)假件進(jìn)行了垂向及側(cè)向激勵(lì)以獲取傳遞函數(shù),通過(guò)RFP-Z法及模態(tài)歸一化法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)剛體模態(tài)進(jìn)行了識(shí)別與驗(yàn)證, 共獲取6階剛體模態(tài),主要集中在5Hz~100Hz,并主要以模態(tài)耦合方式呈現(xiàn)。通過(guò)激振器在發(fā)動(dòng)機(jī)假件質(zhì)心處進(jìn)行垂向激勵(lì),  采用真空吸盤(pán)方式實(shí)現(xiàn)了較大載荷的加載, 采用粘貼應(yīng)變片的方式實(shí)現(xiàn)了傳遞載荷的測(cè)試,最終獲取了傳遞率- 頻率曲線。60Hz以下,振動(dòng)傳遞主路徑為發(fā)動(dòng)機(jī)-前安裝節(jié)-吊掛; 60Hz~120Hz帶寬內(nèi),振動(dòng)傳遞主路徑為發(fā)動(dòng)機(jī)-后安裝節(jié)-吊掛。在一階轉(zhuǎn)速附近,力傳遞率小于1 ,  本文所設(shè)計(jì)安裝節(jié)縮比模型具備隔振功能。本文通過(guò)分析總結(jié)鉸接連桿式安裝節(jié)的頻域響應(yīng)特征,可為后續(xù)研究中渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)建模與仿真方法的驗(yàn)證以及安裝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)支持,并為全尺寸渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)隔振試驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 林國(guó)政. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝和振動(dòng)控制[J].  民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究, 2009(4): 44-47;

[2]  蘇爾敦.  飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)隔振安裝技術(shù)[C].  中國(guó)航空學(xué)會(huì)第七屆動(dòng)力年會(huì)論文摘要集.貴州 貴陽(yáng): 中國(guó)航空學(xué)會(huì)動(dòng)力分會(huì),

2010:78-88;

[3] 雷勁博. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)多體動(dòng)力學(xué)建模與仿真研究[D]. 北京:清華大學(xué), 2016;

[4] 宋波濤, 賀爾銘, 張釗, 等. 翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)吊架結(jié)構(gòu)等效建模及隔振特性分析[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2012, 12(4):832-836;

[5]  陳熠, 賀爾銘, 扈西枝, 等. 大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)載荷傳遞特性研究[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012, 30(3):384-389;

[6] 許飛, 賀爾銘, 李景旭. 翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)等效建模及其隔振設(shè)計(jì)[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào), 2016, 31(8):1905-1912;

[7] 朱石堅(jiān), 何琳. 船舶機(jī)械振動(dòng)控制[M]. 北京:  國(guó)防工業(yè)出版社, 2006.1;

[8] 胡海巖. 機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2005.7.