飛機發動機安裝系統隔振設計及振動特性分析

王 典， 黃尚友， 闞玉平， 房 靜

(西安飛機工業(集團)有限責任公司西飛設計院,西安 710089)

航空發動機是飛機的主要振源之一,發動機振動通過安裝系統傳遞到飛機機體上,引起飛機艙內噪聲及機體振動,導致部分機載設備損壞,影響飛行安全。美國民航規章FAR-25和中國民航規章CCAR-25也明確規定為了降低發動機振動引起的響應,發動機安裝裝置應采取隔振措施或吸能裝置[1]。

近年來,研究者越來越關注發動機安裝系統隔振設計。Rancourt等[2]通過試驗對比研究了發動機隔振安裝與硬安裝的振動傳遞效率,表明隔振安裝的必要性。Taylor等[3]研究了活塞式螺旋槳發動機的會聚式安裝系統的振動解耦方法。Depriest[4]引入傳遞率和性能比的概念,并介紹了一系列隔振安裝有效措施。Swanson等[5]推導了活塞螺旋槳發動機安裝系統的隔振效率計算公式,并以其為目標函數對隔振器剛度進行了優化設計。施榮明[6]提出利用黏彈性阻尼隔振結構塊進行航空發動機的三向隔振的分析和設計方法研究,在飛機前設備艙能降低振動載荷15%,則可提高動強度壽命2.5倍。林國政[7]闡述了典型翼吊商用飛機渦槳發動機安裝減振器能有效提高隔振性能。陳永輝等[8]首次提出采用振動能量解耦理論開展某型渦輪螺旋槳發動機安裝系統的隔振設計方案。陳熠等[9]分析了高涵道比渦扇發動機通過機翼向機身結構傳遞的載荷特性,用于指導發動機隔振安裝設計。宋波濤等[10]分析了翼吊發動機吊架結構的減振特性,并研究了吊架結構減振效果與結構動剛度的關系。許飛等[1]研究了隔振器參數和安裝位置對安裝系統隔振性能的影響規律。王會利等[11]研究了某型渦槳發動機隔振系統的動態特性,計算了系統的固有頻率及隔振效率。

上述文獻均未從振動解耦角度研究渦扇發動機的隔振系統設計?，F以某型渦扇發動機安裝系統隔振設計為研究目標,開展六自由度隔振設計,研究多個隔振器三軸靜剛度對發動機安裝系統固有頻率及解耦率的影響,為隔振器的結構設計提供參數輸入。并對該系統進行頻域分析,計算六自由度振動傳遞率,研究隔振設計方法的有效性。

1 發動機安裝系統理論模型

1.1 安裝系統動力學方程的建立

某渦扇發動機安裝系統六自由度模型如圖1所示,為雙安裝面4點安裝形式。在進行安裝系統隔振設計時,由于發動機的剛度遠大于隔振裝置的剛度,因此將發動機視作剛體,由4個橡膠隔振器支承在發動機安裝架上,每個隔振器可簡化為三向正交的彈簧阻尼元件,在微小振幅作用下,阻尼對結構固有頻率的影響較小,可忽略不計。坐標系原點為發動機重心,X軸沿發動機軸線,向前為正；Y軸垂直于X軸,向上為正；Z軸與X、Y軸構成右手坐標系,向右為正。

圖1 發動機安裝系統六自由度模型Fig.1 6-DOF model of the engine installation system

建立安裝系統六自由度無阻尼自由振動方程:

式(1)中，M、K分別為系統的質量及剛度矩陣。

將矩陣M、K代入系統的特征方程中:

|K-ω2M|=0 (2)

可求得系統的固有頻率ω1<ω2<…<ω6,并將所求的頻率代入式(1),可求得各階振型矩陣φ。

1.2 能量法解耦

能量法解耦是根據六階振型得到系統在各個自由度的能量分布,將六階模態能量分別集中到能量占優的自由度上,達到振動解耦的目的。當系統以第i階固有頻率振動時的總能量為

則第k行第l列的能量為

式中：φi為φ的第i個列向量,即第i階振型矩陣；φik、φil分別是φi的第k及第l個元素；Mkl是質量矩陣的第k行第l列元素；ωi為系統第i階固有頻率；i,k,l=1,2,…,6。

由此可以得系統第i階固有頻率振動時,第k個廣義坐標分配的能量占系統總能量的百分比(即解耦率)為

解耦率的變化范圍為0～100%,解耦率為100%時,則該階模態振動完成解耦。

2 發動機安裝系統隔振設計

2.1 隔振器參數設計

某渦扇發動機質量為2 664 kg,發動機三軸轉動慣量、在發動機質心坐標系下的安裝坐標如表1、表2所示。

表1 發動機轉動慣量Table 1 Inertia properties of the engine

表2 隔振器安裝坐標Table 2 Inertia coordinates of each isolator

忽略外力、扭轉剛度,在低頻激勵下阻尼器的影響用動剛度描述,彈性主軸的動剛度取為主軸靜剛度的1.3倍。后安裝點不傳遞發動機推力,因此后安裝面隔振器無航向剛度。根據彈性中心的定義:作用于被支承物體上的一個任意方向的外力,讓被支承物只會發生平移運動,而不會產生轉動的點,就成為安裝系統的彈性中心,即安裝系統6個自由度上的彈性中心落在發動機質心處,以消去剛度矩陣的耦合項,就可以得到振動解耦,則可得到以下方程:

圖對系統解耦率的影響Fig.2 Influence of on the decoupling ratios

圖對固有頻率的影響Fig.3 Influence of on natural frequencies

圖對系統解耦率的影響Fig.4 Influence of on the decoupling ratios

圖對固有頻率的影響Fig.5 Influence of on natural frequencies

圖對系統解耦率的影響Fig.6 Influence of on the decoupling ratios

圖對固有頻率的影響Fig.7 Influence of on natural frequencies

表3 各隔振器的靜剛度Table 3 Static stiffness of each isolator

表4 安裝系統固有頻率和解耦率Table 4 Frequencies and decoupling ratios of the mounting system

由表4可知:安裝系統固有頻率均在50 Hz以下,滿足隔振要求。Y軸和繞X軸兩個方向的固有頻率間隔1.9 Hz,滿足相鄰兩階固有頻率至小間隔0.5～1 Hz的要求。各向解耦率均能達到85%以上,沿Y軸實現了獨立振動,隔振效果良好。

2.2 振動傳遞率仿真

對安裝系統通過模態疊加法計算0～160 Hz范圍內六自由度的振動傳遞率,X軸、Y軸、Z軸、繞X軸、繞Y軸、繞Z軸振動傳遞率曲線如圖8、圖9所示。

圖8 X、Y、Z軸傳遞率曲線Fig.8 Vibration transmissibility curve in X、Y、Z directions

圖9 繞X軸、繞Y軸、繞Z軸傳遞率曲線Fig.9 vibration transmissibility curve in RX、RY、RZ directions

從圖8、圖9可知,傳遞率曲線中峰值頻率對應各向的固有頻率,繞Z軸傳遞率曲線中有兩個峰值接近的共振峰,這是由于該方向在峰值頻率處的振動耦合程度較高,其余自由度方向均存在很弱的振動耦合,基本滿足工程實際需求。另外,在發動機一階固有頻率處(150 Hz)安裝系統各向振動傳遞率均接近0,隔振效果良好,表明了安裝系統隔振設計方法的有效性。

3 結論

為提高航空發動機隔振性能,以某渦扇發動機雙安裝系統為研究對象,采用彈性中心理論及能量解耦原理,開展了六自由度隔振設計,優選出各點隔振器的剛度參數,計算了安裝系統固有頻率及振動傳遞率,并研究了安裝系統六自由度方向振動傳遞率,得到如下結論。

(2)計算優選隔振器剛度條件下安裝系統解耦率、固有頻率及振動傳遞率。安裝系統各方向解耦率均達到85%以上,前6階固有頻率均在50 Hz以下,處于隔振區域,提高了系統隔振性能,滿足了發動機隔振設計的要求,安裝系統在發動機一階固有頻率(150 Hz)處各向振動傳遞率均接近0,驗證了隔振設計方法的有效性。提出的渦扇發動機安裝系統的隔振設計方法,為飛機渦扇發動機隔振設計提供了有益的參考,對機體降噪設計也有重要的意義。