发动机安装结构动力学设计

第18卷增刊应用力学学报Vol 1 8 SI2001年9月CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICSSep.2001文章编号:000-49392001X001105发动机安装结构动力学设计施荣明(沈阳飞机设计研究所沈阳110035)摘要叙述了以歼八飞机为例的发动机安裝结构动力学设计的背景技术关键、九五期间的研究内容以及取得的进展和结论。关键词动力分析振动响应結构动力学第四代战斗机的结构重量系数为27%这是一个非常严酷的指标他意味着有一个能满足强度、刚度要求下的最轻最合理的飞机结构壳体只有在这个前提下才能谈得上有飞机的其他的装载才能有飞机的高性能、高作战效能才能安装火控、雷达、大量的电子设备、大功率的发动机等等。所以满足强度、刚度条件下最轻的飞机结构是结构强度专业领域几代人奋斗的目标为达到上述要求和目标可从四个方面努力1)千方百计降低给飞机的载荷2)合理的结构型式和结构布局3)尽多的利用新结构、新材料4)各方面的精确分析和充分的试验。动强度是强度中的一种新机研制中暴露出众多的动强度问题歼八飞机就有十一个之多歼轰七也不例外振动问题是结构强度领域内大家关心的一个问题。本课题研究的背景和目标就是如何降低飞相的总休振动水亚K相有两大主要振源,是气动力引起的振动和飞行速压有关很难避免中国煤化工上速压另一是发动机引起的振动发动机不振动是不可能的但如何在CNMHG传给飞机的振动最小通过工作是可以做到的发动机安裝的结构动力学设计就是针对这个问题而开展的研究工作。*来稿旦邦3作者1男1940年生博导研究员12应用力学学报2技术关键如何在发动机振动不变的前提下,使其传给飞机的振动量最小这就需要通过发动机传给飞机振动的发动机安装结构的结构动力学设计来解决这个问题。1)发动机安装是一个杆系结构以歼八飞机为例它有两台发动机每台发动机在两个横截面上共有五根支杄支撑和飞机结构相连这就是所谓的发动机安装结构”简称为发动机安装发动机飞机结构安装结构一定强度结构动力学振动响应的振动源设计工作最小若振动载荷下降客观存在主观努力工作达到预期目标10%则结构动强度的寿命增加782)为达到上述目标要解决4个技术关键①如何得到发动机的振动载荷②如何解决阻尼结构系统的减振优化设计问题以及如何研制岀能安裝在发动机支杆上的减振构件。③结构动力学设计的方法和手段的研究④如何在试验室进行验证试验试验段设计验证试验)3研究内容为了解决上述四个技术关键共研究了以下十项工作3.1在试验件的研制和载荷研究方面中国煤化工①GSW1型减振构件的设计与研制CNMHG通过课题组的努力设计并研制岀了能适合在发动机支架上安装阻尼减振构件。根据发动机载荷大的特点采用了钢丝网减振购件。设计很巧妙解决了双向受力和双向减振的问②阻尼构验段的设计与研制施荣明发动机安装结构动力学设计13全体参研人员共同努力创造性地设计岀与飞杋实物基本为1∶的模拟试验段。在保证与真实飞机的动力特性基本一致的前提下进行分析、试验研究③动载荷识别的研究与应用要在试验段上施加模拟的动载荷才能看岀堿振前后的对比与效果。而载荷又不能完全靠实测获得。因此如何研究动载荷的载荷识别技术并加以实际应用在本课题中走了一个全过程3.2在阻尼结构试验段的验证试验方面④非线性响应分析与试验在粘弹性阻尼减振和隔振设计中主要研究了粘弹性阻尼材料的动力学性能、本构关系的描述方法、试验测试和参数拟合方法等研究了粘弹性阻尼减振、隔振和配置方案、特性分析方法、非线性响应分析与试验以及减振的优化设计技术。⑤试验件的模态分析与一致性评估⑥发动机安装的有限元建模与分析工作为研究发动机的减振问题必须把发动机及发动机安装进行有限元离散化才能进行分析和研究而且理论建模和实际试件的一致性评估与分析也是本课题的重要工作内容之一。3.3在全机建模分析与减振效果的仿真研究方面⑦发动机、发动机架、机体一体化有限元建模与分析为了了解在发动机安裝处的减振对全机各处有什么作用因此作为研究分析对象已不仅局限于发动机附近而是涉及到整架飞机。为此,必需开展整架飞机的结构动力学建模与分析工作这是一项工作量巨大要求很高的工作,它的有限元模型规模为9133节点、板、杆、梁元22组共16041个单元。为下一步的全机仿真分析打下良好的基础。⑧减振前、后发动机、发动机架、机体一体化仿真研究按理应将减振构件裝到飞机上进行发动机地面开车实测其减振效果是最理想的但真实的减振构件还有待乎十、五”进一步研制,九、五″搞出的只是原理样机与真实装机件尚有定差别但通过计算机仿真也能逼真地看到其减振的效果和作用。通过计算机仿真证明更换设计好的减振构件可使飞机前设备舱的发动机减振载荷降低15%这就意味着能提高动强度寿命2.5倍效果是非常显著的。3.4在结构动力学设计方法研究与软件包编制方面⑨阻尼结构系统的优化设计继八、五"到九、五”十年的努力终于在以前的基础上做到了结构动力学设计的三要素的全面设计即M、K、C结构的质量刚度阻尼的设计,可以做到按设定频率来设计出结构部件也能做到按设定的响应控制来设计出结构部件来使飞机设计首次达到了动强度能进行主动设计的境界这是振动界的科技人员奋斗了中国煤化玉们工作的理想目标之CNMHG⑩结构动力学设计分析软件包的提供我们课题组不仅从理论上解决了结构动力学范畴内三要素,M、K、C的结构动力学优化设计问题而是提供了一套能在各飞机设计所使用的结构动力学优化设计软件它建立在微机PC机戏皮蕭型分析软件 NASTRAN等为基础的和NT操作环境下具有广泛的实用性,14应用力学学报提供了一套设计的手段。4取得进展与效果4.1进展①基于神经网络模型的动载荷识别研究与应用在本课题研究中根据结构动力学理论推导了在时域中用于神经网络算法自回归函数相应建立了具有时延反馈的神经网络动载荷识别模型数值仿真和试验件旳验证试验表明该神经网络模型用于动载荷识别时具有精度高、无累积误差抗干扰能力强等优点并适用于各种类型动载荷的识别尤其对冲击载荷、炮击载荷的识别更具有独特的优势在动态标定过程中要求信息量小试验成本低这是一种能在本课题工作中应用的动载荷识别方法也是值得在工程中推广应用的一种新型动载荷识别方法;②阻尼结构系统的减振优化设计提岀利用粘弹性阻尼隔振结构块进行机械设备的三向隔振的分析和设计方法相应地提岀含粘弹性阻尼材料结构的动力学分析方法和粘弹性阻尼减振的多目标动力学优化设计方法③GSW-1的研制成功种可进行设计的钢丝网状的减振构件,可以安装到发动机支杆系统中去能双向受一定的静载荷还能进行双向减振而且减振效果比较眀显本课题研究中在设备舱部位減振前、后减振效果达到下降振动载荷15%)这是一种带有创造性的工作,为本课题的研究成功起到重要作用也为下一阶段十、五期间)制造飞机上的真实减振构件打下了坚实的基础。④发动机的安装减振设计的半物理仿真与数字仿真研究成功模拟样机与真正的装机件尚有一定的差别但已经是实物构件了所以称之谓半物理仿真。在模拟机样状态下完成了全部试验内容包括模态试验和减振前后的响应试验并达到了预期的目的数字仿真也完成了全部计算内容工作是成功的。4.2效果与应用4.2.1效果①研究一套结构动力学优化设计的方法提供了一套可供各飞机设计所使用的结构动力学优化设计的软件,为飞机的结构动力学设计工作开阔了道路使飞机的动强度设计进入了个新的阶段结束了以静强度为主设计的历史阶段开创了在飞机设计早期图纸设计阶段),就可按特性包括频率特性和响应特性)来设计飞机部件和安装结构包括发动机安装、设备安装结构)的可能性填补了动强度研究在这个领域内的空白。②通过本课题研究达到了预期的目的通过实验件的试验和计算机仿真初步结果表明加换减振构件以后在飞机前设备舱能降低振中国煤化工强度寿命2.5倍这意味着前设备舱众多的设备在其它条件不变的∏CNMHG2.5倍具有重要的经济价值和军事价值提高飞机设计的质量确实起到了降低飞机总体振动水平的作用,为下步在飞机上实际应用打下了良好的基础。③完善了结构动力学优化设计的方法使结构动力学三要素M、K、C都有了主动设计的可能不捷懊方法还提供了设计手段可以在各飞机设计所推广使用。为十、五"及以后施荣明发动机安装结构动力学设计移植到飞机上的实际应用打下坚实的基础。总之本课题研究完全达到了原来预期的目标。4.2.2应用①发动机安装;②设备安装③需要控制频率和响应的部位。参考文献1施荣明結构动力学设计的现状与展望西安《应用力学学报》Vol1720007(S1):90~932姚起杭等编,飞机动强度设计指南西安西北工业大学。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页)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中国煤化工CNMHG