發(fā)動(dòng)機安裝結構動(dòng)力學(xué)設計

第18卷增刊應用力學(xué)學(xué)報Vol 1 8 SI2001年9月CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICSSep.2001文章編號:000-49392001X001105發(fā)動(dòng)機安裝結構動(dòng)力學(xué)設計施榮明(沈陽(yáng)飛機設計研究所沈陽(yáng)110035)摘要敘述了以殲八飛機為例的發(fā)動(dòng)機安裝結構動(dòng)力學(xué)設計的背景技術(shù)關(guān)鍵、九五期間的研究?jì)热菀约叭〉玫倪M(jìn)展和結論。關(guān)鍵詞動(dòng)力分析振動(dòng)響應結構動(dòng)力學(xué)第四代戰斗機的結構重量系數為27%這是一個(gè)非常嚴酷的指標他意味著(zhù)有一個(gè)能滿(mǎn)足強度、剛度要求下的最輕最合理的飛機結構殼體只有在這個(gè)前提下才能談得上有飛機的其他的裝載才能有飛機的高性能、高作戰效能才能安裝火控、雷達、大量的電子設備、大功率的發(fā)動(dòng)機等等。所以滿(mǎn)足強度、剛度條件下最輕的飛機結構是結構強度專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域幾代人奮斗的目標為達到上述要求和目標可從四個(gè)方面努力1)千方百計降低給飛機的載荷2)合理的結構型式和結構布局3)盡多的利用新結構、新材料4)各方面的精確分析和充分的試驗。動(dòng)強度是強度中的一種新機研制中暴露出眾多的動(dòng)強度問(wèn)題殲八飛機就有十一個(gè)之多殲轟七也不例外振動(dòng)問(wèn)題是結構強度領(lǐng)域內大家關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題。本課題研究的背景和目標就是如何降低飛相的總休振動(dòng)水亞K相有兩大主要振源,是氣動(dòng)力引起的振動(dòng)和飛行速壓有關(guān)很難避免中國煤化工上速壓另一是發(fā)動(dòng)機引起的振動(dòng)發(fā)動(dòng)機不振動(dòng)是不可能的但如何在CNMHG傳給飛機的振動(dòng)最小通過(guò)工作是可以做到的發(fā)動(dòng)機安裝的結構動(dòng)力學(xué)設計就是針對這個(gè)問(wèn)題而開(kāi)展的研究工作。*來(lái)稿旦邦3作者1男1940年生博導研究員12應用力學(xué)學(xué)報2技術(shù)關(guān)鍵如何在發(fā)動(dòng)機振動(dòng)不變的前提下,使其傳給飛機的振動(dòng)量最小這就需要通過(guò)發(fā)動(dòng)機傳給飛機振動(dòng)的發(fā)動(dòng)機安裝結構的結構動(dòng)力學(xué)設計來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。1)發(fā)動(dòng)機安裝是一個(gè)桿系結構以殲八飛機為例它有兩臺發(fā)動(dòng)機每臺發(fā)動(dòng)機在兩個(gè)橫截面上共有五根支杄支撐和飛機結構相連這就是所謂的發(fā)動(dòng)機安裝結構”簡(jiǎn)稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機安裝發(fā)動(dòng)機飛機結構安裝結構一定強度結構動(dòng)力學(xué)振動(dòng)響應的振動(dòng)源設計工作最小若振動(dòng)載荷下降客觀(guān)存在主觀(guān)努力工作達到預期目標10%則結構動(dòng)強度的壽命增加782)為達到上述目標要解決4個(gè)技術(shù)關(guān)鍵①如何得到發(fā)動(dòng)機的振動(dòng)載荷②如何解決阻尼結構系統的減振優(yōu)化設計問(wèn)題以及如何研制岀能安裝在發(fā)動(dòng)機支桿上的減振構件。③結構動(dòng)力學(xué)設計的方法和手段的研究④如何在試驗室進(jìn)行驗證試驗試驗段設計驗證試驗)3研究?jì)热轂榱私鉀Q上述四個(gè)技術(shù)關(guān)鍵共研究了以下十項工作3.1在試驗件的研制和載荷研究方面中國煤化工①GSW1型減振構件的設計與研制CNMHG通過(guò)課題組的努力設計并研制岀了能適合在發(fā)動(dòng)機支架上安裝阻尼減振構件。根據發(fā)動(dòng)機載荷大的特點(diǎn)采用了鋼絲網(wǎng)減振購件。設計很巧妙解決了雙向受力和雙向減振的問(wèn)②阻尼構驗段的設計與研制施榮明發(fā)動(dòng)機安裝結構動(dòng)力學(xué)設計13全體參研人員共同努力創(chuàng )造性地設計岀與飛杋實(shí)物基本為1∶的模擬試驗段。在保證與真實(shí)飛機的動(dòng)力特性基本一致的前提下進(jìn)行分析、試驗研究③動(dòng)載荷識別的研究與應用要在試驗段上施加模擬的動(dòng)載荷才能看岀堿振前后的對比與效果。而載荷又不能完全靠實(shí)測獲得。因此如何研究動(dòng)載荷的載荷識別技術(shù)并加以實(shí)際應用在本課題中走了一個(gè)全過(guò)程3.2在阻尼結構試驗段的驗證試驗方面④非線(xiàn)性響應分析與試驗在粘彈性阻尼減振和隔振設計中主要研究了粘彈性阻尼材料的動(dòng)力學(xué)性能、本構關(guān)系的描述方法、試驗測試和參數擬合方法等研究了粘彈性阻尼減振、隔振和配置方案、特性分析方法、非線(xiàn)性響應分析與試驗以及減振的優(yōu)化設計技術(shù)。⑤試驗件的模態(tài)分析與一致性評估⑥發(fā)動(dòng)機安裝的有限元建模與分析工作為研究發(fā)動(dòng)機的減振問(wèn)題必須把發(fā)動(dòng)機及發(fā)動(dòng)機安裝進(jìn)行有限元離散化才能進(jìn)行分析和研究而且理論建模和實(shí)際試件的一致性評估與分析也是本課題的重要工作內容之一。3.3在全機建模分析與減振效果的仿真研究方面⑦發(fā)動(dòng)機、發(fā)動(dòng)機架、機體一體化有限元建模與分析為了了解在發(fā)動(dòng)機安裝處的減振對全機各處有什么作用因此作為研究分析對象已不僅局限于發(fā)動(dòng)機附近而是涉及到整架飛機。為此,必需開(kāi)展整架飛機的結構動(dòng)力學(xué)建模與分析工作這是一項工作量巨大要求很高的工作,它的有限元模型規模為9133節點(diǎn)、板、桿、梁元22組共16041個(gè)單元。為下一步的全機仿真分析打下良好的基礎。⑧減振前、后發(fā)動(dòng)機、發(fā)動(dòng)機架、機體一體化仿真研究按理應將減振構件裝到飛機上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機地面開(kāi)車(chē)實(shí)測其減振效果是最理想的但真實(shí)的減振構件還有待乎十、五”進(jìn)一步研制,九、五″搞出的只是原理樣機與真實(shí)裝機件尚有定差別但通過(guò)計算機仿真也能逼真地看到其減振的效果和作用。通過(guò)計算機仿真證明更換設計好的減振構件可使飛機前設備艙的發(fā)動(dòng)機減振載荷降低15%這就意味著(zhù)能提高動(dòng)強度壽命2.5倍效果是非常顯著(zhù)的。3.4在結構動(dòng)力學(xué)設計方法研究與軟件包編制方面⑨阻尼結構系統的優(yōu)化設計繼八、五"到九、五”十年的努力終于在以前的基礎上做到了結構動(dòng)力學(xué)設計的三要素的全面設計即M、K、C結構的質(zhì)量剛度阻尼的設計,可以做到按設定頻率來(lái)設計出結構部件也能做到按設定的響應控制來(lái)設計出結構部件來(lái)使飛機設計首次達到了動(dòng)強度能進(jìn)行主動(dòng)設計的境界這是振動(dòng)界的科技人員奮斗了中國煤化玉們工作的理想目標之CNMHG⑩結構動(dòng)力學(xué)設計分析軟件包的提供我們課題組不僅從理論上解決了結構動(dòng)力學(xué)范疇內三要素,M、K、C的結構動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設計問(wèn)題而是提供了一套能在各飛機設計所使用的結構動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設計軟件它建立在微機PC機戲皮蕭型分析軟件 NASTRAN等為基礎的和NT操作環(huán)境下具有廣泛的實(shí)用性,14應用力學(xué)學(xué)報提供了一套設計的手段。4取得進(jìn)展與效果4.1進(jìn)展①基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型的動(dòng)載荷識別研究與應用在本課題研究中根據結構動(dòng)力學(xué)理論推導了在時(shí)域中用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法自回歸函數相應建立了具有時(shí)延反饋的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )動(dòng)載荷識別模型數值仿真和試驗件旳驗證試驗表明該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型用于動(dòng)載荷識別時(shí)具有精度高、無(wú)累積誤差抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)并適用于各種類(lèi)型動(dòng)載荷的識別尤其對沖擊載荷、炮擊載荷的識別更具有獨特的優(yōu)勢在動(dòng)態(tài)標定過(guò)程中要求信息量小試驗成本低這是一種能在本課題工作中應用的動(dòng)載荷識別方法也是值得在工程中推廣應用的一種新型動(dòng)載荷識別方法;②阻尼結構系統的減振優(yōu)化設計提岀利用粘彈性阻尼隔振結構塊進(jìn)行機械設備的三向隔振的分析和設計方法相應地提岀含粘彈性阻尼材料結構的動(dòng)力學(xué)分析方法和粘彈性阻尼減振的多目標動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設計方法③GSW-1的研制成功種可進(jìn)行設計的鋼絲網(wǎng)狀的減振構件,可以安裝到發(fā)動(dòng)機支桿系統中去能雙向受一定的靜載荷還能進(jìn)行雙向減振而且減振效果比較眀顯本課題研究中在設備艙部位減振前、后減振效果達到下降振動(dòng)載荷15%)這是一種帶有創(chuàng )造性的工作,為本課題的研究成功起到重要作用也為下一階段十、五期間)制造飛機上的真實(shí)減振構件打下了堅實(shí)的基礎。④發(fā)動(dòng)機的安裝減振設計的半物理仿真與數字仿真研究成功模擬樣機與真正的裝機件尚有一定的差別但已經(jīng)是實(shí)物構件了所以稱(chēng)之謂半物理仿真。在模擬機樣狀態(tài)下完成了全部試驗內容包括模態(tài)試驗和減振前后的響應試驗并達到了預期的目的數字仿真也完成了全部計算內容工作是成功的。4.2效果與應用4.2.1效果①研究一套結構動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設計的方法提供了一套可供各飛機設計所使用的結構動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設計的軟件,為飛機的結構動(dòng)力學(xué)設計工作開(kāi)闊了道路使飛機的動(dòng)強度設計進(jìn)入了個(gè)新的階段結束了以靜強度為主設計的歷史階段開(kāi)創(chuàng )了在飛機設計早期圖紙設計階段),就可按特性包括頻率特性和響應特性)來(lái)設計飛機部件和安裝結構包括發(fā)動(dòng)機安裝、設備安裝結構)的可能性填補了動(dòng)強度研究在這個(gè)領(lǐng)域內的空白。②通過(guò)本課題研究達到了預期的目的通過(guò)實(shí)驗件的試驗和計算機仿真初步結果表明加換減振構件以后在飛機前設備艙能降低振中國煤化工強度壽命2.5倍這意味著(zhù)前設備艙眾多的設備在其它條件不變的∏CNMHG2.5倍具有重要的經(jīng)濟價(jià)值和軍事價(jià)值提高飛機設計的質(zhì)量確實(shí)起到了降低飛機總體振動(dòng)水平的作用,為下步在飛機上實(shí)際應用打下了良好的基礎。③完善了結構動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設計的方法使結構動(dòng)力學(xué)三要素M、K、C都有了主動(dòng)設計的可能不捷懊方法還提供了設計手段可以在各飛機設計所推廣使用。為十、五"及以后施榮明發(fā)動(dòng)機安裝結構動(dòng)力學(xué)設計移植到飛機上的實(shí)際應用打下堅實(shí)的基礎?？傊菊n題研究完全達到了原來(lái)預期的目標。4.2.2應用①發(fā)動(dòng)機安裝;②設備安裝③需要控制頻率和響應的部位。參考文獻1施榮明結構動(dòng)力學(xué)設計的現狀與展望西安《應用力學(xué)學(xué)報》Vol1720007(S1):90~932姚起杭等編,飛機動(dòng)強度設計指南西安西北工業(yè)大學(xué)。1996The structural Dynamic Design of the Engine InstallShi rongmingShenyang Aircraft Design Research InstituteAbstractIn this paper combining with the example F-8 aircraft the research background and keytechnology for structual dynamic design of the engine install are discussed and the research content during 9 5 as well as the obtained progress and results are presented tooKeywords dynamic analyses vibration response structure dynamic(上接第10頁(yè))project. In the paper adaptive suppressing vibration of the piezoelectricity-elastic structure isstudied including synthesizing modeling optimal control and evaluation and validation. The accuracy of the synthesizing modeling is the base of the vibration control In the case of multiple optimal solutions for stmcturd vibration control using genetic algorithms with niching to simultaneously optimize the gain of the control loop and placements of the piezoelectricity plates is a typical means to suppress vibration. For demonstration the optimal results it is very important toevaluate suppressing vibration capacity of the adaptive structure by the test means中國煤化工CNMHG