大型客機風車不平衡振動載荷傳遞特性研究

白 杰，李 廣，王 偉

（中國民航大學 航空工程學院，天津 300300）

0 引言

風車不平衡是一種非正常工作狀態，主要由發動機軸支撐失效、風扇葉片喪失及其附帶損傷引起，其產生的重大載荷和振動遍及整個機體結構［1］。當發動機處于風車不平衡狀態時，發動機振動能夠降低飛機結構本身的疲勞強度，振動產生的噪聲以寬頻脈動壓力的形式作用于受影響的結構表面，且駕駛艙振動會影響機組人員做出關閉受損發動機的關鍵決策，以及在剩余飛行階段中實施其他操作的能力。

直徑變大和轉速降低成為現代民用大尺寸高涵道比渦輪風扇發動機的顯著特點，同時發動機風扇轉子頻率隨著轉速的降低而減小，從而使得發動機振動頻率降低到低頻區域，與飛機結構本身固有頻率接近，可能產生導致共振的中低頻段［2］。為了減小發動機風車不平衡狀態下產生的振動量，必須對發動機振動進行有效控制，并研究其傳遞路徑。

本文依據空客A320相關尺寸，通過Patran＆Nastran有限元分析軟件建立符合飛機結構動力學的“吊架—機翼—機身”有限元模型；利用Patran分析飛機結構固有特性，得到了發動機風車不平衡狀態下傳播到機翼和機身各隔框的振動載荷情況。

1 建立A320飛機動力學有限元模型

A320飛機具有大展弦比的升力面，可采用梁式結構模擬器結構模型。

1.1 翼面模型的建立

翼面結構主要包括機翼、垂尾和平尾。機翼結構由蒙皮、桁條、翼梁、縱墻和翼肋等5種類型結構件構成。

梁式結構是應用最為廣泛的機翼、垂尾和平尾結構形式。在建立機翼有限元模型時，依據機體結構主傳力路線進行簡化，略去前緣縫翼、后緣襟翼、副翼等部件的影響，只建立機翼前梁、后梁和翼肋梁結構［3］。采用靈敏度分析方法對建立的初始機翼結構模型進行動力特性修正，最終使機翼雙梁有限元模型與目標機翼的動力特性基本一致。

1.2 機身結構動力學模型的建立

機身結構主要由隔框和桁梁構成。A320機身屬大細長比機身，其普通框和加強框采用環形剛框式結構。從總體受力來看，機身是支持在機翼上的一個管梁，機身的縱向尺寸遠大于橫向尺寸，一般采用單梁單元模擬機身剛度分布情況，將彎矩和扭矩的分布質量聚縮于各隔框中心處，從而建立集中質點和集中轉動慣量式單元。

1.3 建立發動機吊架及連接機翼和機身模型

現代民用大型客機的翼下吊架結構一般是由鋁、鈦或鋼結構構成的盒式梁組成。通過對實際吊架的測量，建立了發動機吊架結構簡化模型，其采用超靜定空間鋼架結構，并簡化風扇機匣位置（前掛點）及低壓渦輪位置（后掛點）。發動機吊架結構簡化模型見圖1。

翼肋及機翼前后梁通過MPC多點約束單元剛性連接在有限元機身結構對應隔框上［4］。

采用連接元將吊架上的上連接點、中連接點、側向連接點以及下連接點模擬銷接于第8＃翼肋位置。發動機、起落架、平尾以及垂尾等部件按剛體處理，采用集中質量卡模擬其質量并作用于質心處，并用MPC多點約束單元連接至相應結構上。全機半模結構動力學有限元模型見圖2。

圖1 發動機吊架結構簡化模型

圖2 全機半模結構動力學有限元模型

2 機體模態分析

模態是結構的固有特性，結構模態分析的主要作用是：①分析結構的振動特性，避免結構之間相互作用產生共振；②為模態頻率分析提供一定的依據。

飛機作為對稱結構，當進行全機結構動力特性計算時，將相應的對稱與反對稱約束施加在有限元模型上［5］，進而得到全機對稱模態和反對稱模態，全機動力模型的模態頻率及振型［6］見表1和圖3。

表1 全機動力模型的模態頻率

圖3 全機半模結構動力模型的主要低階振型

3 巡航狀態風扇不平衡振動載荷特性

某型渦扇發動機空停導致的風車不平衡狀態下前、后掛點的實測振動速度譜見圖4，該型發動機在最大巡航推力和空中停車這兩種工況下前、后掛點的振動譜見表2。可以發現風車不平衡狀態下振動量明顯小于正常巡航階段下的振動載荷，并且其振動能量主要集中在發動機低壓、高壓轉子的轉頻N1、N2及其倍頻處。

4 風車不平衡振動載荷傳遞特性分析

基于在發動機前、后掛點處加載獲得的風扇不平衡振動譜，根據結構特性設置對稱與反對稱條件，采用Nastran模態頻率響應分析模塊，計算發動機風扇不平衡振動載荷經過吊架、機翼傳遞到機身各隔框上的載荷特性。這里提取了機身結構各隔框段在倍頻下的振動響應分量［7］，如圖5所示。

圖4 發動機風車不平衡振動速度譜

（1）沿機身前部21號隔框及其他隔框處的橫向及垂向振動加速度響應譜具有明顯的離散特性。

（2）風車不平衡狀態下機身垂向及橫向振動能量都集中在N1頻率及其倍頻下，因在風車狀態下燃燒室停止工作，風車轉子在氣動力作用下繼續轉動的振動量占主要作用，發動機不平衡振動載荷主要集中在N1頻率下，所以機身在N1頻率下振動最為顯著。

表2 某型發動機兩種工況下振動譜

5 總結

（1）通過查詢相關資料建立吊架－機翼－機身全機半模結構動力學有限元模型，較準確地反映出大型民用飛機結構動力特性。

（2）估算了民用飛機發動機在風車不平衡狀態下，發動機振動載荷經吊架、機翼傳到機身各框的振動載荷，為發動機風車不平衡的適航審定要求提供了機身振動載荷譜輸入數據。

（3）對比機身各個隔框的振動情況發現，發動機不平衡振動載荷主要集中在N1頻率及其倍頻下，而N2頻率下振動量小。原因在于風車狀態下燃燒室停止工作，風扇轉子在氣動力作用下繼續轉動，繼而風扇不平衡振動起主要作用。

圖5 風車不平衡狀態下機身各隔框處倍頻下的振動響應

［1］程婕.防空停：從維護源頭把好關［N］.中國民航報，2012-04-17.

［2］Baklanov V S.Low-frequency vibroisolation mounting of power plants for new-generation airplanes with engines of extra-high bypass ratio［J］.Journal of Sound and Vibration，2007，308（3/5）：709-720.

［3］馮昊成，羅明強，劉虎，等.基于結構件實例庫的飛機機體結構快速建模［J］.北京航空航天大學學報，2012，38（5）：584-590.

［4］陳熠，賀爾銘，扈西枝，等.大型客機發動機振動載荷傳遞特性研究［J］.西北工業大學學報，2012，30（3）：384-389.

［5］蘇繼龍.飛機左右帶外掛對稱結構振型局部化研究［J］.沈陽航空工業學院學報，1996，13（4）：10-16.

［6］馬愛軍，周傳月，王旭.Patran和Nastran有限元分析［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［7］劉成玉，孫曉紅，馬翔.機翼有限元模型振動和顫振特性分析［J］.計算機輔助工程，2006，15（增刊1）：53-55.