基于葉間布置的球柔性縮比模型槳轂阻尼器設計與分析

趙 青，黃文俊，楊廣勇

(中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333001)

0 引言

粘彈阻尼器采用高強度、高阻尼、抗疲勞的硅橡膠與金屬粘結的夾層結構，高阻尼硅橡膠材料的剪切變形會提供相應的彈性剛度和阻尼剛度。在五支臂球柔性縮比模型旋翼設計研究中，粘彈阻尼器的設計不僅在尺寸上要滿足與相關零件的運動協調，在彈性剛度性能上滿足旋翼動力學要求，還要在阻尼剛度性能上滿足模型旋翼阻尼特性與模型試驗臺架的剛度、阻尼特性協調，避免“地面共振”。本文將在性能設計時充分考慮“地面共振”的穩定裕度對粘彈阻尼器阻尼剛度范圍的要求，以及旋翼動力學對粘彈阻尼器彈性剛度的要求，快速準確地選定粘彈阻尼器的性能參數。

1 粘彈阻尼器設計方法

粘彈阻尼器的設計重點是其彈性剛度和阻尼剛度要綜合考慮旋翼動力學和“地面共振”的要求。之前的設計是在確定粘彈阻尼器彈性剛度的基礎上，通過選擇一定損耗角的橡膠材料，推算其阻尼剛度代入“地面共振”計算，確定是否滿足“地面共振”要求。若不滿足要求，重新設計損耗角和阻尼剛度，設計反復直至滿足“地面共振”要求。

本文擬采用直接設計法，粘彈阻尼器阻尼剛度根據計算直接選定。利用某模型旋翼裝4米模型旋翼試驗臺槳轂中心動特性試驗數據，結合模型旋翼特性數據，直接確定滿足“地面共振”要求的阻尼剛度范圍，避免設計反復。

1.1 粘彈阻尼器結構布置設計

由于多支臂的模型槳轂尺寸小，零部件空間位置難以布置，結構之間容易發生運動干涉，在設計阻尼器結構尺寸時，應充分考慮以上因素。

五支臂球柔性縮比模型旋翼中粘彈阻尼器采用葉間布置。相比傳統常規式布置，在既定的槳轂半徑的條件下結構布置的空間大;粘彈阻尼器的作用力臂大;在槳葉集合型運動時粘彈阻尼器不會產生額外的載荷。

粘彈性阻尼器旋轉平面節點布置，主要考慮槳葉在運動包線范圍內，阻尼器不與搖臂發生任何干涉，并應留有至少8mm的運動間隙。根據這一原則，應進行空間運動協調，初步選定阻尼器旋轉平面節點位置，確定球軸承中心到阻尼器的力臂L。

1.2 粘彈阻尼器彈性剛度設計

粘彈阻尼器主要的功能是為旋翼槳葉的擺振運動提供足夠的阻尼，防止發生“地面共振”。但是由于橡膠材料本身的粘彈性特性，在提供結構阻尼的同時會附加彈性剛度，從而影響旋翼的擺振一階頻率，如下式所示［1］:

對于球柔性槳轂，槳轂支臂的擺振角剛度kδ是由彈性軸承的擺振角剛度kδ1和阻尼器的擺振角剛度kδ2并聯。阻尼器的擺振角剛度可以用阻尼器的擺振線剛度進行等價換算。

根據縮比旋翼的結構尺寸參數，可以得到如圖1所示擺振一階頻率隨著當量擺振約束剛度的變化規律，考慮到模型旋翼的氣彈穩定性要求和原旋翼動力相似的頻率比要求，初步選定擺振一階頻率為0.5 ～0.6Ω［2］。

圖1 擺振一階頻率隨著當量擺振約束剛度的變化圖

1.3 粘彈阻尼器阻尼剛度設計

在一階擺振頻率初步確定的條件下，盡可能提高阻尼器的阻尼值，避免“地面共振”的發生。根據阻尼器彈性剛度以及旋翼動力學特性數據、旋翼試驗臺槳轂中心動特性試驗數據以及相互傳遞函數關系，計算得到粘彈阻尼器的阻尼剛度可行范圍。

針對不同的粘彈阻尼器狀態進行計算，得到模態阻尼曲線如圖2、圖3所示。

圖2 天平鎖緊狀態下不同阻尼器剛度下模態阻尼曲線

圖3 天平松開狀態下不同阻尼器剛度下模態阻尼曲線

由圖2、圖3可知，隨著阻尼器狀態的增大，試驗臺的“不穩定性”趨向于穩定以及高頻。隨著阻尼器狀態的改變，對應試驗臺的模態阻尼都小于零，試驗臺是穩定的，均滿足穩定性要求。因此在粘彈阻尼器參數計算值變化60%～140%范圍內的阻尼剛度為可行。

由于粘彈性阻尼器的彈性體具有高阻尼的特性，因此其力與位移存在相位差，力落后位移一定的相位。當粘彈性材料受到剪切變形時，材料的分子結構產生內磨擦，當材料受到一定頻率的變形時，內摩擦力在相位上滯后變形90°，起到阻尼作用。

因此，由橡膠材料本身的特性決定的損耗角α為:

1.4 粘彈阻尼器結構尺寸設計

在初步確定粘彈阻尼器彈性剛度和阻尼剛度性能參數的基礎上，確定其結構幾何尺寸。由彈性剛度的經驗公式［3］，可得到:

圖4 粘彈性阻尼器結構示意圖

橡膠材料的剪切彈性模量G=0.76 N/mm2，如圖4所示，R1、R2、L分別為橡膠層的內徑、外徑和長度。在保證粘彈阻尼器作用力臂以及性能參數要求的基礎上，合理選擇橡膠的長度及厚度。

2 粘彈阻尼器設計結果及分析

2.1 性能參數和結構設計結果

根據上一節的粘彈阻尼器設計方法，以及五支臂球柔性縮比模型旋翼結構參數，確定粘彈阻尼器的性能參數及結構尺寸如表1所示。

表1 阻尼器的性能參數及結構尺寸

2.2 旋翼動力學計算分析

根據CAMRADⅡ軟件動力學的計算結果，得到旋翼阻尼特性隨著總距的變化圖，見圖5。

圖5 旋翼阻尼特性隨總距變化

旋翼動力學計算結果分析表明，旋翼在總距變化范圍內是穩定的。

2.3 “地面共振”計算分析

對4米模型旋翼試驗臺裝球柔性縮比模型旋翼“地面共振”穩定性進行了計算。圖6、圖7示出了大預緊力加兩層墊片天平鎖緊、松開狀態下的典型的“地面共振”穩定性曲線;

圖6 天平鎖緊狀態時特征值實部隨轉速的變化

圖7 天平松開狀態時特征值實部隨轉速的變化

根據4米模型旋翼試驗臺裝球柔性縮比模型旋翼“地面共振”計算結果，可以看出:額定轉速范圍內，球柔性縮比模型旋翼裝4米模型旋翼試驗臺不存在地面共振不穩定性區域。

3 結論

本文建立了快速確定縮比模型槳轂阻尼器性能參數和結構尺寸的工程設計方法，減少設計反復，提高設計效率，并應用于葉間布置的五支臂球柔性縮比模型槳轂阻尼器的設計中，通過對粘彈阻尼器設計參數的選擇，解決了模型槳轂尺寸小，難布置，易發生運動干涉的問題，并避免了與4米模型旋翼試驗臺的“地面共振”。

［1］張呈林.張曉谷.郭士龍，等.直升機部件設計［M］.南京:航空專業教材編審組，1986.

［2］江民標.李滿福.新型粘彈阻尼器及其模具設計研究［J］.直升機技術，2007(3):69-72.

［3］Potter J.粘彈性阻尼器在旋翼系統中的應用［J］，Journal of the AHS，1973(1).