直升機聚焦式彈性主減隔振系統仿真分析

趙志娟,張樹楨,范學偉

(中國直升機設計研究所,江西 景德鎮 333001)

0 引言

直升機振動水平過高不僅會降低駕乘人員舒適度,還會影響機載設備的壽命和可靠性[1]。因此,振動控制是直升機動力學研究的重點之一。旋翼周期交變載荷是引起直升機結構加速度響應的主要原因,表現為近似正弦激勵的多個定頻點激勵[2]。由于主減速器安裝于旋翼與機身結構之間,通過對該振動傳遞路徑的結構布置優化、柔性連接、阻尼減振等手段,可以有效降低旋翼載荷向機身的傳遞[3]。

目前主要的主減隔振形式有聚焦隔振、節點梁隔振和動力反共振隔振[4]等。考慮到單一隔振方案具有一定的局限性,通常采用多種隔振技術實現直升機振動控制目標。SA-330采用了聚焦隔振和動力反共振隔振進行振動控制。AS350直升機上采用了聚焦隔振和動力吸振器,有效地降低了直升機駕駛艙內3次/轉垂向振動水平。國內在幾個型號上采用了聚焦式主減隔振,取得了較好的隔振效果[5]。國外在主減隔振方面具有相對成熟的技術和豐富的型號經驗。國內相關研究起步較晚,理論和技術積累較少,有待進一步提高。

本文基于有限元法對直升機聚焦式彈性主減隔振系統進行了詳細的動力學仿真分析。以某直升機為研究對象,在聚焦式隔振的基礎上加裝彈性隔振器,并進行了隔振效果研究,進一步研究了優化主減撐桿焦點位置對隔振效果的影響。建立了聚焦式彈性主減隔振系統仿真分析方法,并結合工程實際為聚焦式主減隔振設計提供參考。

1 彈性主減隔振系統及動力學模型

1.1 彈性主減隔振系統

原型直升機主減速器通過主減撐桿與主減平臺相連,主減速器底部與主減底座剛性連接。聚焦式彈性主減隔振是指在主減底部安裝彈性隔振器替代剛性連接形式,如圖1。彈性隔振器的軸向剛度遠大于側向剪切剛度,在承受軸向扭轉載荷的同時改變主減系統的側向和航向剛度。

圖1 彈性隔振器替代剛性連接

1.2 動力學有限元模型

針對主減底部剛性連接和彈性隔振連接形式,分別建立全機動力學有限元模型。圖2給出了主減底部剛性連接(模型1)和彈性隔振連接(模型2)的主減系統有限元模型。采用shell單元模擬剛性連接,spring單元模擬彈性隔振連接。模型1和模型2的主減撐桿完全相同,主減底部連接方式由剛性連接改為彈性隔振。在模型2的基礎上,將主減撐桿焦點位置沿Z向下調147 mm,建立模型3,如圖3。

圖2 主減隔振系統模型

圖3 模型3和模型2對比

聚焦式彈性主減隔振系統的目標是降低旋翼激勵向機身的傳遞,進而降低駕乘艙的振動水平。因此,選取主減底座、主減平臺、駕駛員地板和乘員地板位置振動水平作為考核指標,分析聚焦式彈性主減隔振系統的隔振效果,如圖4。

圖4 選取考核位置

2 主減隔振仿真分析

2.1 主減垂向位移

研究主減撐桿對主減垂向的支撐作用,避免采用聚焦式彈性主減隔振系統引起主減過大的垂向位移,進而影響操縱系統、動力輸入輸出系統的正常工作。

建立有撐桿模型(模型1-1)和無撐桿模型(模型1-2),兩個模型的主減底部均采用剛性連接方式。在模型1-1和模型1-2的槳轂中心位置施加相同載荷,對比有撐桿與無撐桿支撐下的主減垂向位移。

結果如圖5(a)和圖5(b)所示:模型1-1的主減垂向位移均值為0.02 mm,模型1-2的主減垂向位移均值為5.37 mm。可見,主減撐桿在主減垂向支撐中起主導作用。聚焦式彈性主減隔振系統不改變主減撐桿支撐,不會引起主減過大的垂向位移,不會影響操縱系統和動力輸入輸出系統的正常工作。

圖5 主減垂向位移云圖

2.2 主減固有頻率

聚焦式彈性主減隔振系統有限元模型(模型2和模型3)中spring單元航向(X向)、側向(Y向)和垂向(Z向)剪切動剛度分別為800 N/mm, 1000 N/mm和900 N/mm。通過模態分析方法研究模型1、模型2和模型3的主減系統固有特性變化,得到主減側向和航向一階固有頻率如圖6所示。

圖6 主減系統主要固有頻率變化

對比模型1和模型2結果可見,彈性主減隔振改變了主減與機體的聯接剛度,使得主減側向和航向一階固有頻率明顯降低。對比模型2和模型3結果可見,主減側向一階固有頻率升高,主減航向一階固有頻率顯著降低,焦點位置對主減系統固有頻率影響較大。綜上所述,聚焦式彈性主減隔振可通過調節彈性隔振器參數和主減撐桿焦點位置的方式優化主減系統固有特性。

2.3 隔振效果分析

聚焦式彈性主減隔振系統的隔振效果受多個因素影響?；诜抡娣治龇椒?研究彈性隔振器和優化主減撐桿焦點位置對系統隔振效果的影響。

在模型1、模型2和模型3的槳轂中心位置施加相同的三向激勵載荷,選取駕駛員地板、乘員地板、主減平臺和主減底座加速度頻響曲線,如圖7所示。

圖7 機身不同位置加速度頻響曲線

結果可見,彈性隔振器和優化主減撐桿焦點位置使得機身不同位置在旋翼激勵頻率附近的加速度響應均有不同程度的降低,主減平臺和主減底座加速度響應降低明顯;聚焦式彈性主減隔振系統可以有效地降低旋翼激勵向機身的傳遞。

計算模型1、模型2和模型3在20 Hz～30 Hz頻率范圍內加速度響應均方根值,分析聚焦式彈性主減隔振系統的寬頻隔振效果,如圖8所示。結果可見,模型2比模型1的主減底座加速度響應均方根降低了27.7%,降幅最大,改裝彈性隔振器的寬頻隔振效果改善明顯。模型3比模型2的主減平臺加速度響應均方根降低了14.89%,降幅最大,優化焦點位置的寬頻隔振效果改善明顯。模型3比模型1的主減平臺和主減底座加速度響應均方根分別降低了25.17%和29.47%。彈性隔振器和優化焦點位置綜合降低了旋翼激勵引起的機身振動響應。模型3比模型1的駕駛員和乘員地板加速度響應均方根分別降低了11.90%和15.20%,明顯改善了駕乘人員位置的振動水平。綜上所述,聚焦式彈性主減隔振系統具有良好的寬頻隔振效果。

圖8 機身不同位置加速度響應均方根值

2.4 結果分析

主減隔振作為降低旋翼激勵向機身傳遞的重要措施,在直升機振動控制技術中的重要地位不言而喻。優化主減隔振設計對全機振動水平影響明顯,有必要將主減隔振設計與全機動力學設計同步開展:

1) 主減撐桿安裝位置直接影響了主減的動特性。本文主要建立了聚焦式彈性主減隔振仿真分析方法,未考慮主減撐桿安裝位置和其他系統的匹配性,包括:主減撐桿空間干涉、傳動系統位移限制等。

2)在與全機技術方案協調一致的前提下,開展聚焦式彈性主減隔振優化設計,通過彈性隔振器和優化焦點位置,可以有效降低旋翼激勵向機身的傳遞,具有良好的隔振效果。

3)在主減撐桿結構形式和安裝位置受限時,通過優化彈性隔振設計,可以在一定程度上降低旋翼激勵向機身的傳遞,改善隔振效果。

3 結論

本文采用有限元分析方法對直升機聚焦式彈性主減隔振系統進行了系統性研究,得到如下結論:

1)主減撐桿對主減垂向支撐起主導作用,聚焦式彈性主減隔振系統不改變主減撐桿形式,不會引起主減過大的垂向位移,不影響操縱系統和動力輸入輸出系統的正常工作;

2)主減彈性隔振和撐桿焦點位置均對主減系統固有特性影響顯著,可通過彈性隔振器和優化主減撐桿焦點位置的方式,優化主減系統固有頻率;

3)聚焦式彈性主減隔振系統通過彈性隔振器和優化焦點位置,綜合降低了旋翼激勵引起的機身振動響應,明顯改善了駕乘人員位置的振動水平,具有良好的寬頻隔振效果。