A型火箭彈射座椅模態分析

韓圓珍

A型火箭彈射座椅模態分析

韓圓珍

航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003

基于振動分析理論對某型火箭彈射座椅進行模態分析，研究其固有頻率及振型，為座椅設計提供技術支持。

彈射座椅；模態分析

模態分析是用來確定結構振動特性的一種技術，通過它可以確定自然頻率、振型和振型參與系數。進行模態分析可以使結構設計避免共振或以特定頻率進行振動，進一步地可以使設計師認識到不同類型的動力載荷是如何響應的并有助于在其他動力分析中估算求解控制參數。模態分析是結構動力分析的基礎。

一、火箭彈射座椅簡介

在飛機正常飛行時，火箭彈射座椅供飛行員乘坐，并為飛行員提供必要的約束。當飛機發生危急情況，需要飛行員應急離機時，火箭彈射座椅能確保飛行員按規定的程序迅速、安全彈離飛機，并在座椅著陸(水)后為飛行員提供必需的救援和生存條件。

彈射座椅主要由椅盆、骨架、頭靠傘箱、座式救生包、出艙穩定裝置、三級套筒式彈射筒與椅背火箭的組合動力裝置以及座椅系統組成。座椅的系統包括：彈射操縱系統(包括中央燃爆機構和穩定傘射傘槍)、分離系統(包括救生傘射傘槍、燃爆機構、程序分離燃爆機構、電子式開傘器、應急分離燃爆機構)、肩帶操縱系統、限腿帶系統、限臂裝置、程序控制系統、椅盆升降系統、遠距點火系統等。

二、問題的由來

火箭彈射座椅是飛機的一個部件，安裝在座艙內，它的振動環境就是飛機座艙的振動環境。在座椅使用過程中，承受著如飛機發動機振動、炮振等振動載荷，在座椅結構設計時，應避免座椅的固有頻率與上述振源頻率相近，否則會導致發生共振現象，輕則降低乘員的乘坐舒適度，嚴重情況下會影響飛行員的正常操作，給飛行安全帶來隱患。因此需要對座椅進行模態分析，研究其基本動態屬性，為座椅的結構設計及合理避振提供理論依據。

三、模態分析理論

目前在振動分析方面主要采用數值解法，使一些復雜系統的振動分析問題可以得出比較精確的數值結果。首先應用有限元法，把復雜系統離散化為有限個自由度的離散系統，離散系統無阻尼自由振動微分方程是

(3-1)

其中{x}是描述系統振動形態的位移向量，n個自由度系統有n個位移向量。[k]是系統的剛度矩陣，[m]是系統的質量矩陣。方程(3-1)是一組二階常系數齊次線性微分方程組，它的通解具有如下形式

{x}={X}eiwt

(3-2)

將方程(3-2)代入方程(3-1)，得到系統振動的特征方程

[k]{X}=ω2[m]{X}

(3-3)

系統固有動力特性分析就是求解廣義特征值問題(3-3)。它的特征值ωi2是系統固有頻率的平方，它的特征向量{ψ}是系統的固有振型，從而得出了系統的固有動力特性。

解方程(3-3)常用逆迭代法，其迭代格式是

(3-4)

將(2-4)式對質量矩陣[m]規一化，即

(3-5)

經反復迭代，(3-5)式向最低階特征向量逼近。

四、模態分析

(一)有限元模型的建立

在建模中遵循以下原則：

1.座椅主結構的完整性。

2.保證傳力路線不發生變化。

3.節點約束應和實際連接形式保持一致。

利用上述建模原則，依據設計圖樣建立有限元模型，具體建模如下：

為保證座椅結構的完整性和傳力路線不發生變化，在對座椅建模時，座椅有限元模型主體結構應基本保持與座椅結構一致。假設各連接件能夠保證正常的傳力，因此在建模時，不同零部件的連接在有限元模型中通過節點重合或自由度耦合實現。

由于座椅組成復雜，在進行數值仿真計算的時候，根據計算對象與目的，需要對座椅進行適當的簡化，使之轉換為適宜計算的有限元模型。針對座椅結構主要做了以下簡化：去掉了對結構影響不大的功能件、裝飾件，只保留了座椅主結構。根據座椅的結構特點和傳力路線，座椅主要承載部件為椅盆、骨架、彈射筒和滑動架，椅盆側板、加強塊簡化為四面體元，椅盆前梁、上梁、下梁簡化為梁元，座椅其他主要傳力路徑上的各構件均離散為六面體單元，局部地區用四面體和五面體單元過渡。這些構件包括：骨架、肩帶鎖殼體、上滑動架、下滑動架。電動升降裝置用桿單元模擬。座椅有限元模型包含737098個結點、418642個單元。座椅CATIAV5模型見圖1，有限元計算模型見圖2。

圖1 A型火箭彈射座椅CAT 圖2 A型火箭彈射座椅有

(二)分析結果

座椅模態分析結果見表1。

表1 座椅模態分析結果

五、結論

通過對A型火箭彈射座椅進行模態分析，掌握了其基本動態屬性，有利于更進一步的座椅動態響應規律的了解，這一方法可在其他型號座椅中推廣應用。

[1]胡于進，王璋奇.有限元分析與應用.清華大學出版社，2009.

[2]傅永華.有限元分析基礎.武漢大學出版社，2003.

[3]龍凱，等編著.Patran2010與Nastran2010有限元分析從入門到精通.機械工業出版社，2011.

[4]盛宏玉.結構動力學(第二版).合肥工業大學出版社，2012.

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