管清宇
【摘 要】為了減緩沖壓渦輪機(jī)(RAT)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)問(wèn)題,從支持動(dòng)剛度的角度認(rèn)識(shí)其振動(dòng)原理,并建立解決該問(wèn)題的方法。首先介紹了動(dòng)剛度的概念和基本理論,并介紹了動(dòng)剛度分析的一般方法和步驟,然后基于有限元模型,計(jì)算了RAT支持結(jié)構(gòu)的模態(tài),并基于模態(tài)頻率響應(yīng)分析法利用HyperMesh/OptiStruct軟件實(shí)現(xiàn)了RAT支持結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的動(dòng)剛度曲線的繪制,最后對(duì)模態(tài)計(jì)算結(jié)果和動(dòng)剛度曲線進(jìn)行了分析,總結(jié)了RAT動(dòng)剛度分析的一般方法。
【關(guān)鍵詞】動(dòng)剛度;支持剛度;模態(tài)分析;頻率響應(yīng);沖壓渦輪機(jī)
0 引言
在民用飛機(jī)沖壓渦輪機(jī)(RAT)的設(shè)計(jì)中,常常發(fā)生由于安裝剛度不足從而引起RAT運(yùn)行時(shí)結(jié)構(gòu)劇烈振動(dòng)的情況,嚴(yán)重時(shí)甚至有可能發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。所以僅僅考慮RAT的靜態(tài)支持剛度是不夠的,因?yàn)镽AT在釋放后開始工作時(shí)槳葉在空氣中旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)振動(dòng)的機(jī)械環(huán)境。如果此振動(dòng)的激振頻率接近RAT支持結(jié)構(gòu)的固有頻率,那么將可能引發(fā)結(jié)構(gòu)共振,RAT的振動(dòng)會(huì)急劇變大并導(dǎo)致支持結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力迅速增加,從而破壞結(jié)構(gòu)。因而在RAT設(shè)計(jì)的前期就需考慮此振動(dòng)的影響。本文引入了動(dòng)剛度的概念對(duì)RAT的此類問(wèn)題進(jìn)行分析。動(dòng)剛度表征了結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷下抵抗變形的能力[1],動(dòng)剛度不足RAT的振動(dòng)變形就大,就會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)應(yīng)力使結(jié)構(gòu)提前發(fā)生疲勞破壞。通過(guò)動(dòng)剛度分析,可以較早的發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的不足,便于設(shè)計(jì)修改;如若在后期發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,則結(jié)構(gòu)的修改空間很小,而且會(huì)增加飛機(jī)的重量。所以在RAT支持結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,進(jìn)行動(dòng)剛度分析是非常有必要。
1 動(dòng)剛度的概念
為了便于理解動(dòng)剛度的概念,可以以單自由度系統(tǒng)受簡(jiǎn)諧激振力作用為例探討動(dòng)剛度的原理。如圖1所示。
由動(dòng)剛度的表達(dá)式不難看出,動(dòng)剛度是激振力頻率的函數(shù)。對(duì)于同一結(jié)構(gòu)系統(tǒng),激振力頻率的變化會(huì)引起動(dòng)剛度的變化,進(jìn)而引起振動(dòng)幅值的變化。對(duì)于頻率在既定范圍的振動(dòng)載荷,也可通過(guò)調(diào)制結(jié)構(gòu)本身的物理參數(shù)(靜剛度、阻尼比ξ 和質(zhì)量M)來(lái)提高結(jié)構(gòu)在此載荷下的動(dòng)剛度,從而抑制結(jié)構(gòu)的振幅。
由此可知,結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)動(dòng)剛度與靜剛度和阻尼比ξ成正比。提高結(jié)構(gòu)的靜剛度及阻尼比均可以提高結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)動(dòng)剛度。
2 動(dòng)剛度分析方法
由動(dòng)剛度的表達(dá)式可知,RAT支持結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度分析問(wèn)題關(guān)鍵是求得分析點(diǎn)在時(shí)變激振力下的振幅。其基本方法是模態(tài)頻率響應(yīng)分析法[4]。模態(tài)頻率響應(yīng)分析是計(jì)算在穩(wěn)態(tài)激勵(lì)下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的一種常用方法。通過(guò)模態(tài)頻率響應(yīng)分析,可以求出RAT支持結(jié)構(gòu)在不同激振頻率下的位移和加速度響應(yīng),得出相應(yīng)的頻率響應(yīng)曲線,進(jìn)而可以求得動(dòng)剛度曲線,預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性,驗(yàn)證設(shè)計(jì)能否克服共振、疲勞及其受迫振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)破壞。動(dòng)強(qiáng)度分析的一般流程為:確定結(jié)構(gòu)的分析點(diǎn);建立結(jié)構(gòu)有限元模型;結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和繪制動(dòng)剛度曲線。
3 計(jì)算分析
3.1 動(dòng)剛度分析點(diǎn)的選擇
RAT支持結(jié)構(gòu)的振動(dòng)是由其槳葉振動(dòng)傳導(dǎo)至各安裝點(diǎn)產(chǎn)生的,嚴(yán)重影響到RAT支持結(jié)構(gòu)的壽命。因此,各安裝點(diǎn)X、Y、Z向的動(dòng)剛度分析十分重要。本文選取RAT的安裝點(diǎn)作為動(dòng)剛度分析點(diǎn),載荷輸入點(diǎn)與響應(yīng)點(diǎn)取同一點(diǎn)。[5]
3.2 有限元模型
1)利用HyperMesh/OptiStruct軟件,建立某型號(hào)飛機(jī)的RAT支持結(jié)構(gòu)的有限元模型。
2)首先計(jì)算結(jié)構(gòu)的模態(tài),然后根據(jù)模態(tài)計(jì)算結(jié)果,考察在所需分析的激振頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)。由于計(jì)算階次的數(shù)量將直接影響計(jì)算精度,所以依據(jù)通用有限元軟件推薦的模態(tài)提取的最高頻率至少應(yīng)為分析頻率的兩倍的原則設(shè)定計(jì)算階次的數(shù)量。
3)采用結(jié)構(gòu)阻尼系統(tǒng),結(jié)構(gòu)阻尼主要是由于不完全彈性的結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)摩擦和在結(jié)構(gòu)的固定連接處、接觸面之間的摩擦力引起的,又稱遲滯阻尼,人們對(duì)其了解還不充分,常采用等效粘性阻尼的方法。一般結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)在0.05到0.15之間[5]。
3.3 結(jié)果分析
RAT支持結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析
分析RAT支持結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率目的是找出該多自由度系統(tǒng)在此激振力頻率范圍附近的固有頻率。因?yàn)樵诖祟l率范圍內(nèi)的動(dòng)剛度反映了RAT正常工作時(shí)振動(dòng)的嚴(yán)重情況。當(dāng)RAT安裝點(diǎn)的某階固有頻率出現(xiàn)在此范圍附近時(shí),RAT與支持結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生共振。因此RAT安裝點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度設(shè)計(jì)應(yīng)該避開此頻率范圍,并可以定量的看出該頻率處動(dòng)剛度多大程度影響振動(dòng)特性,這樣才能為RAT安裝剛度的設(shè)計(jì)提供好的參考依據(jù)。
2)RAT支持結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度分析
以某型飛機(jī)為例,RAT正常工作時(shí)外部激振力的頻率在400左右,通過(guò)圖3所示的動(dòng)剛度曲線看出,該安裝點(diǎn)x向的動(dòng)剛度在RAT的工作頻率處為剛度極值,此結(jié)構(gòu)在RAT正常運(yùn)行時(shí)振動(dòng)幅值也相應(yīng)為極小值,符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。
4 結(jié)論
根據(jù)動(dòng)剛度的概念,建立了一套基于有限元方法實(shí)現(xiàn)了民用飛機(jī)RAT支持結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度分析的方法,該方法可以對(duì)RAT支持結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù),并為同類型旋轉(zhuǎn)件的安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析提供了參考。
【參考文獻(xiàn)】
[1]徐賢發(fā),王希誠(chéng),郭軍朝.動(dòng)剛度分析在汽車車身開發(fā)中的應(yīng)用研究[C]// 上海:Altair 2009 Hyperworks技術(shù)大會(huì)會(huì)議論文集.2009,7.
[2]田利思,李相輝,馬越峰.MSC.Nastran動(dòng)力分析指南[M].北京:中國(guó)水利郵電出版社,2012,1:61.
[3]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.
[4]田利思,李相輝,馬越峰.MSC.Nastran動(dòng)力分析指南[M].北京:中國(guó)水利郵電出版社,2012,1:59.
[5]MSC. Software Corporation. Dynamics Analysis User Guide[S]. June 25, 2010.
[責(zé)任編輯:鄧麗麗]