直升機(jī)操縱臺振動異常解決方案

黃玉平 陳 浩

（中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

由于直升機(jī)構(gòu)型的特殊性，因此振動問題是伴隨直升機(jī)的永恒話題[1]。過度振動會降低結(jié)構(gòu)的可靠性，縮短它的使用壽命，從而影響飛行安全。此外，過度振動還會惡化儀表設(shè)備的使用環(huán)境，影響設(shè)備的使用效能，并增加乘員的工作負(fù)荷。因此，振動水平影響了直升機(jī)的性能、可靠性、舒適性以及安全性等多項(xiàng)指標(biāo)，是決定直升機(jī)品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一。

對直升機(jī)平臺來說，其結(jié)構(gòu)的振動水平是由振源特性和結(jié)構(gòu)安裝動力特性所決定的。直升機(jī)上的振源主要是來自主旋翼的一階通過頻率，而結(jié)構(gòu)安裝動力特性則與結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、材料以及安裝方式等密切相關(guān)。當(dāng)振源的激振頻率與結(jié)構(gòu)安裝的固有頻率接近時，就會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的振動，甚至?xí)霈F(xiàn)共振的現(xiàn)象。

該文針對某型機(jī)操縱臺存在振動偏大的問題，基于有限元軟件NASTRAN[2]對其裝機(jī)動特性進(jìn)行固有特性計算，并通過裝機(jī)動特性試驗(yàn)的綜合計算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了操縱臺振動偏大的原因。在該基礎(chǔ)上，對操縱臺進(jìn)行有針對性的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，通過對改進(jìn)方案進(jìn)行動特性計算，并根據(jù)最小增重等原則，優(yōu)選出最終的改進(jìn)方案。通過動特性試驗(yàn)和試飛驗(yàn)證，表明該方案較好地解決了操縱臺振動偏大的問題。該研究對解決直升機(jī)振動問題具有較高的參考價值。

1 初始狀態(tài)操縱臺動特性研究

1.1 結(jié)構(gòu)動特性分析理論

在工程中，對于具有連續(xù)分布質(zhì)量剛度和阻尼的實(shí)際結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)精度需要并利用有限元的方法，將其簡化成有限自由度系統(tǒng)，有限自由度系統(tǒng)的振動微分方程如公式（1）所示。

式中：M為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；C為黏性阻尼系數(shù)矩陣；K為系統(tǒng)剛度矩陣；F為外加激振力矩陣；X、和分別為系統(tǒng)的位移、速度和加速度矩陣。

當(dāng)外加激振力矩陣F為0時，求解上述微分方程，就是求解系統(tǒng)的固有特性。求解上述微分方程的過程最終歸結(jié)為求解特征值的過程。通過求解特征值和特征向量，得到系統(tǒng)的固有頻率和固有振型，也就是系統(tǒng)的動特性。

1.2 動特性有限元計算

根據(jù)操縱臺的三維模型，使用PATRAN進(jìn)行建模[2]，得到有限元模型，如圖1所示。根據(jù)操縱臺箱體的特點(diǎn)，箱體壁板采用Shell單元，指定壁板的實(shí)際厚度，壁板的材料為7050鋁；壁板上的加強(qiáng)筋采用Beam單元，單元截面為加強(qiáng)筋的實(shí)際截面，加強(qiáng)筋的材料為7050鋁；操縱臺內(nèi)的設(shè)備則在設(shè)備重心處建立CONM2單元，指定設(shè)備的實(shí)際質(zhì)量，并按照設(shè)備實(shí)際的安裝位置建立RBE2連接。

圖1 有限元模型

模型信息統(tǒng)計見表1。從表1中可以看出，模型中的四邊形Shell單元占比為97.6%，可以較好地描述操縱臺的結(jié)構(gòu)。

表1 模型信息統(tǒng)計

根據(jù)操縱臺與駕駛艙的實(shí)際連接位置，給有限元模型相應(yīng)位置的單元節(jié)點(diǎn)施加3個平動方向上的約束，并使用103正則模態(tài)模塊進(jìn)行求解，得到操縱臺Y向一階模態(tài)頻率為25.719 Hz，模態(tài)振型如圖2所示。由圖2可以看出，操縱臺上側(cè)的模態(tài)位移較大，在上側(cè)中部位置的模態(tài)位移最大。

操縱臺安裝在駕駛艙內(nèi)，該位置的主要振源為主旋翼的一階通過頻率[3]。計算得到的操縱臺Y向一階模態(tài)頻率與該頻率靠近，從而可能引起較大的振動，這可能是該型機(jī)在飛行過程中操縱臺出現(xiàn)振動偏大問題的根本原因。

1.3 裝機(jī)動特性試驗(yàn)

為了查明操縱臺振動偏大問題的原因，進(jìn)一步掌握操縱臺的動特性并驗(yàn)證動特性的計算結(jié)果，研究人員對3架該型機(jī)開展動特性試驗(yàn)。采用力錘激勵方法[4]，單向激勵、單向拾振，實(shí)測操縱臺在60 Hz內(nèi)各階的固有頻率、振型及阻尼等模態(tài)參數(shù)。振動傳感器的位置如圖3所示。

圖2 操縱臺Y向一階模態(tài)

圖3 振動傳感器布置圖

通過使用力錘對操縱臺11#點(diǎn)進(jìn)行Y向敲擊，測得操縱臺上所布設(shè)的11個測點(diǎn)的Y向典型頻響曲線如圖4所示；由圖4可以看出，11個測點(diǎn)的Y向典型頻響曲線在25.00 Hz附近存在峰值。對11個測點(diǎn)的Y向典型頻響曲線進(jìn)行擬合，得到操縱臺Y向一階模態(tài)頻率及阻尼，具體數(shù)據(jù)見表2，典型模態(tài)振型如圖5所示。由圖5可以看出，操縱臺上側(cè)的模態(tài)位移較大，該結(jié)果與計算結(jié)果吻合。

表2 操縱臺Y向一階模態(tài)頻率及阻尼

圖4 操縱臺Y向的典型頻響曲線

由試驗(yàn)結(jié)果可知：1） 操縱臺Y向一階模態(tài)頻率靠近主旋翼一階通過頻率，各架機(jī)的靠近程度有所差異。2） 操縱臺的動特性計算結(jié)果與該型機(jī)操縱臺的實(shí)際模態(tài)符合程度較好，頻率偏差小于2.9%。3） 該型機(jī)操縱臺出現(xiàn)振動偏大問題的根本原因是操縱臺Y向一階模態(tài)頻率靠近主旋翼一階通過頻率。

圖5 操縱臺Y向的典型振型圖

2 操縱臺結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案研究

在對初始狀態(tài)下的操縱臺進(jìn)行動特性計算和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了操縱臺出現(xiàn)振動偏大問題的原因，由此進(jìn)行對操縱臺結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的研究。

2.1 改進(jìn)方案動特性計算

為了避開主旋翼一階通過頻率，應(yīng)該提高或降低操縱臺Y向的剛度，而降低剛度可能會不符合其他設(shè)計的要求，因此采用提高操縱臺Y向剛度的方法，根據(jù)動力學(xué)的設(shè)計要求[5]，需要將操縱臺Y向一階固有頻率提高到一定頻率以上。

在操縱臺（原始狀態(tài)下）有限元模型的基礎(chǔ)上，對增加操縱臺左右兩側(cè)壁板厚度、在不同位置增加不同厚度不同類型的隔板（如圖6所示）等改進(jìn)方案進(jìn)行計算，其中前隔板安裝位置為圖3中沿著測點(diǎn)4#、5#、6#所在位置，而后隔板安裝位置為沿著測點(diǎn)7#、8#、9#所在位置，得到了改進(jìn)后的操縱臺Y向一階固有頻率，具體數(shù)據(jù)見表3，典型振型圖如圖7所示。從表3和圖7中可以看出，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的操縱臺Y向一階固有頻率得到了不同程度的提高，模態(tài)位移也發(fā)生了相應(yīng)的改變，模態(tài)位移的分布更加合理。

計算結(jié)果表明：1） 增加操縱臺兩側(cè)壁板和隔板的厚度，會提升整個操縱臺Y向的剛度，使一階模態(tài)頻率上移。2）在隔板厚度相同的情況下，整個操縱臺Y向的剛度呈現(xiàn)出加后隔板＜加前隔板＜增加前、后隔板的情況，即提升整個操縱臺Y向剛度的效果為加后隔板＜加前隔板＜增加前、后隔板。3） 與操縱臺原始狀態(tài)和加厚左右兩側(cè)壁板的方案相比，在不同位置增加不同類型隔板的方案具有更合理的載荷和振動傳遞路徑，在改進(jìn)后的操縱臺Y向一階模態(tài)頻率下，各位置的模態(tài)位移更小，整體模態(tài)振型得到了優(yōu)化。

根據(jù)動力學(xué)的設(shè)計要求，可行的改進(jìn)方案為：1） 增加厚度為1 mm以上的雙隔板。2） 增加厚度為1.5 mm以上的前隔板。3） 兩側(cè)壁板均加厚2 mm以上。

2.2 改進(jìn)方案動特性試驗(yàn)

根據(jù)改進(jìn)方案的計算結(jié)果，根據(jù)工藝性要求和重量增加最小原則，選擇裝1.5 mm前隔板B的改進(jìn)方案，并在2架直升機(jī)的操縱臺加裝1.5 mm前隔板B的狀態(tài)下開展的動特性試驗(yàn)，傳感器布置、試驗(yàn)方法等與初始狀態(tài)操縱臺動特性試驗(yàn)一致，測得操縱臺Y向典型頻響曲線如圖8所示，由圖8可以看出11個測點(diǎn)的Y向典型頻響曲線在28.40 Hz附近存在峰值。對11個測點(diǎn)的Y向典型頻響曲線進(jìn)行擬合，得到操縱臺Y向一階模態(tài)頻率及阻尼，具體數(shù)據(jù)見表4，典型模態(tài)振型如圖9所示。由圖9可以看出，操縱臺上側(cè)的模態(tài)位移較大，該結(jié)果與改進(jìn)后的計算結(jié)果吻合。

表3 改進(jìn)方案的計算結(jié)果

圖6 不同類型隔板圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，在操縱臺裝1.5 mm的前隔板B后，Y向一階固有頻率已經(jīng)避開主旋翼一階通過頻率，能夠滿足動力學(xué)的設(shè)計要求。

表4 操縱臺Y向一階固有頻率

2.3 試飛驗(yàn)證

經(jīng)過試飛驗(yàn)證可知，在操縱臺加裝1.5 mm的前隔板B后，操縱臺的振動明顯減小，振動問題得到了解決。

3 結(jié)語

圖7 典型振型圖

圖8 操縱臺Y向典型頻響曲線圖

圖9 操縱臺Y向典型頻響曲線

通過對操縱臺及其改進(jìn)方案的動特性進(jìn)行研究，分析其與主旋翼一階通過頻率的關(guān)系，得到如下結(jié)論：1） 操縱臺出現(xiàn)振動偏大的根本原因是操縱臺Y向一階固有頻率靠近主旋翼一階通過頻率。2） 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，操縱臺Y向一階固有頻率避開了主旋翼一階通過頻率，較好地解決了操縱臺振動偏大的問題。3） 當(dāng)需要提高局部結(jié)構(gòu)的剛度時，改變原有的結(jié)構(gòu)形式，可以優(yōu)化它的載荷和振動傳遞路徑，該方法比加強(qiáng)原結(jié)構(gòu)的效果更好、效率也更高。