鉸接連桿式安裝系統(tǒng)振動傳遞特性測試及分析

王建強(qiáng),陳永輝 ,燕 群,陳春蘭,王會利

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所,西安 710065)

        摘  要:目前渦扇發(fā)動機(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)動機(jī)與機(jī)翼的連接,測試與分析鉸接連桿式安裝節(jié)的 振動傳遞特性對于發(fā)動機(jī)的減隔振安裝設(shè)計有重要作用。本文以某型發(fā)動機(jī)安裝系統(tǒng)為參考,設(shè)計了由發(fā)動機(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)原理驗證模型。以原理驗證模型為研究對象采用激振器及真空吸盤進(jìn)行了剛體模態(tài)試驗及振動 傳遞試驗,得到了發(fā)動機(jī)剛體模態(tài)與安裝系統(tǒng)力傳遞率-頻率曲線,并分析確定了振動傳遞的主路徑。結(jié)果表明: 剛體運(yùn)動模態(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,振動傳遞主路徑為發(fā)動機(jī)-前安裝節(jié)-吊掛; 60Hz~120Hz 帶寬內(nèi), 振動傳遞主路徑為發(fā)動機(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)計安裝節(jié)縮比模型具備隔振功能。同時, 本文研究可為后續(xù)研究中渦扇發(fā)動機(jī)安裝系統(tǒng)多體動力學(xué)建模與仿真方法的驗證以及安裝系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供試驗支持,并為全尺 寸渦扇發(fā)動機(jī)安裝系統(tǒng)隔振試驗研究奠定基礎(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)振動控制, 尤其是改善艙內(nèi)振動環(huán)境的重要措施[1] 。中國民航CCAR-25和美國民航FAR-25均明確規(guī)定為了降低發(fā)動機(jī)振動引起的響應(yīng),發(fā)動機(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)的碰摩阻尼來達(dá)到減/隔振效果,同時提高了結(jié)構(gòu)可靠性,代表機(jī)型有B737NG 、A320等。從國外渦扇發(fā)動機(jī)安裝節(jié)的發(fā)展歷程來看,渦扇發(fā)動機(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)建模與振動傳遞特性分析是安裝節(jié)研制過程中重要的技術(shù)手段。雷勁博等[3]建立了渦扇發(fā)動機(jī)安裝節(jié)的多體動力學(xué)模型, 通過動力學(xué)計算, 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)測載荷工況下吊 掛結(jié)構(gòu)的減振特性。陳熠等[5]針對A320建立了“吊掛-機(jī) 翼-機(jī)身”結(jié)構(gòu)的動力學(xué)有限元模型,得到了發(fā)動機(jī)振動 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)驗證并分析了安裝結(jié)構(gòu)的隔振特性,確定了振動傳遞的主路徑。

        上述研究中大多通過仿真建模的方法進(jìn)行安裝系統(tǒng)傳遞特性的研究,缺乏相關(guān)試驗驗證,而目前針對鉸接連桿式安裝節(jié)振動傳遞方面的相關(guān)試驗研究較少。為此, 本文以某型發(fā)動機(jī)安裝系統(tǒng)為參考,設(shè)計了由發(fā)動機(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)原理驗證模型;采用小型激振器對發(fā)動機(jī)假件施加垂向及側(cè)向載荷,獲取了發(fā)動機(jī)假件剛體模態(tài);采用大型激振器施加通過發(fā)動機(jī)假件質(zhì)心的垂向激勵, 采用真空吸盤方式實(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)載荷的測試,最終得到了力傳遞率-頻率曲線。

1 安裝系統(tǒng)原理驗證模型

1. 1 驗證模型建立

        渦扇發(fā)動機(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)動機(jī)通過前/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)的振動傳遞特性,針對 某型發(fā)動機(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)計部分進(jìn)行了簡化,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)原理驗證模型, 如圖2所示?；谀Ｐ秃喕乃枷?在設(shè)計 安裝節(jié)模型時,將推力桿簡化為單推力桿傳推。

圖 1  某型發(fā)動機(jī)安裝系統(tǒng)示意圖

圖 2  安裝系統(tǒng)原理驗證模型

1. 2 自由度分析

        驗證模型與某型發(fā)動機(jī)安裝節(jié)的自由度分析如下:

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

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

        對比驗證模型及某型發(fā)動機(jī)安裝節(jié)模型自由度分析結(jié)果可知, 兩個系統(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)動機(jī)安裝節(jié)的雙推力桿設(shè)計基于了冗余設(shè)計思想, 一般情況推力由兩個推力桿平均傳遞,當(dāng)一個推力桿失效時, 推力載荷完全通過另一個推力桿傳遞; 而圖2所示模型作為試驗驗證模型, 無需考慮該冗余設(shè)計形式。

2 試驗研究

        驗證模型中發(fā)動機(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)動機(jī)模擬件與吊掛模擬件,同時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,是整個系統(tǒng)的固定部件。

        為了方便描述發(fā)動機(jī)的6個自由度方向, 下面分別對這6個方向進(jìn)行定義, 如圖3所示。沿發(fā)動機(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)動分別定義為滾轉(zhuǎn)方向, 俯仰方向和偏航方向。

圖 3   發(fā)動機(jī)坐標(biāo)系方向定義

2. 1 模態(tài)試驗

        模態(tài)試驗采用移動加速度計法進(jìn)行測量。測點(diǎn)編號及位置如圖4所示, 采用BK Pulse模態(tài)測試分析軟件進(jìn)行測試, 內(nèi)置建模如圖5所示。 

圖 4 測點(diǎn)編號及位置

圖 5   BK Pulse 建模

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

              表1    測試順序

圖 6   垂向激勵

圖 7   側(cè)向激勵

2. 2 振動傳遞試驗

        由于發(fā)動機(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為激勵力,F2為傳遞至吊掛處的力。

        試驗時 ,  BK  Labshop 輸出控制信號通過BK 3160-A-042控制激振器施加過發(fā)動機(jī)質(zhì)心的垂向激勵 F1 , 采用真空吸盤方式實(shí)現(xiàn)載荷的加載, 如圖8所示; 輸出力采用應(yīng)變測量的方式獲取,通過東華DH5929動態(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)計成壁厚為1mm的圓筒形式。

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

        試驗后,按如下計算傳遞率:

        a) 整體傳遞率: 對各激勵頻率下4個測點(diǎn)應(yīng)變時域數(shù)據(jù)相加, 然后對時域數(shù)據(jù)處理求其有效值ε,依據(jù)式(2)和式(3)計算發(fā)動機(jī)振動傳遞的載荷,依據(jù)式(1) 計算整體傳遞率;

        b) 單點(diǎn)傳遞率: 對各激勵頻率下4個測點(diǎn)應(yīng)變時域數(shù)據(jù)處理分別求其有效值ε , 然后依據(jù)式(2)和式(3) 計算得到各點(diǎn)振動傳遞的載荷, 根據(jù)式(1)計算各點(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  真空吸盤加載

 圖 9  應(yīng)變粘貼位置及編號

3 結(jié)果及分析

3. 1 模態(tài)分析

        采用RFP-Z方法對BK Pulse記錄的傳遞函數(shù)進(jìn)行模態(tài)識別, 模態(tài)分析結(jié)果見表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)

        對上述模態(tài)結(jié)果采用模態(tài)歸一化 ( Mode Normalization)方法進(jìn)行驗證。各模態(tài)頻率對應(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。如果各個自由度呈現(xiàn)隨機(jī)發(fā)散,  則說明此頻率阻尼很大,可能是由于累計計算誤差得到的計算模態(tài),此模態(tài)頻率應(yīng)予以刪除。 由圖11可知, 各頻率對應(yīng)的復(fù)雜性圖一致性較高,因此模態(tài)測試結(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 振動傳遞分析

        依據(jù)隔振原理,當(dāng)激勵頻率大于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 , 故振動傳遞試驗中激勵頻率范圍取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)力傳遞率計算方法,計算得到前后安裝節(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,振動傳遞主路徑為發(fā)動機(jī)-前安裝節(jié)-吊掛;  60Hz~120Hz帶寬內(nèi),振動傳遞主路徑為發(fā)動機(jī)-后安裝節(jié)-吊掛。圖1所示某型發(fā)動機(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)動機(jī)安裝系統(tǒng)為參考,設(shè)計了由發(fā)動機(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)原理驗證模型。采用激振器對發(fā)動機(jī)假件進(jìn)行了垂向及側(cè)向激勵以獲取傳遞函數(shù),通過RFP-Z法及模態(tài)歸一化法對發(fā)動機(jī)剛體模態(tài)進(jìn)行了識別與驗證, 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)。通過激振器在發(fā)動機(jī)假件質(zhì)心處進(jìn)行垂向激勵,  采用真空吸盤方式實(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)了傳遞載荷的測試,最終獲取了傳遞率- 頻率曲線。60Hz以下,振動傳遞主路徑為發(fā)動機(jī)-前安裝節(jié)-吊掛; 60Hz~120Hz帶寬內(nèi),振動傳遞主路徑為發(fā)動機(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)計安裝節(jié)縮比模型具備隔振功能。本文通過分析總結(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)動機(jī)安裝系統(tǒng)多體動力學(xué)建模與仿真方法的驗證以及安裝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供試驗支持,并為全尺寸渦扇發(fā)動機(jī)安裝系統(tǒng)隔振試驗研究奠定基礎(chǔ)。

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