飛機(jī)機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)晃振模擬試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

王軒　翁良苗　鄧興培　王震

【摘 要】為研究飛機(jī)機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)晃振現(xiàn)象及其控制，提出了機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)晃振模擬試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，利用有限元方法對(duì)其無液體工況進(jìn)行了模態(tài)分析，以確保晃振模擬試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)頻率與真實(shí)機(jī)翼接近，能夠模擬真實(shí)機(jī)翼結(jié)構(gòu)晃振。設(shè)計(jì)的晃振模擬試驗(yàn)臺(tái)可滿足飛機(jī)機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)晃振動(dòng)力學(xué)分析與控制的研究要求。

【關(guān)鍵詞】機(jī)翼油箱；晃振；有限元；模態(tài)分析

飛機(jī)在飛行過程中，處在一個(gè)變動(dòng)范圍很大的動(dòng)力學(xué)環(huán)境之中。由于氣動(dòng)紊流、著陸撞擊、武器發(fā)射、發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵的振動(dòng)，飛機(jī)上的燃油箱受到了箱內(nèi)燃油晃動(dòng)沖擊等引起的復(fù)合振動(dòng)，油箱既有沿飛機(jī)縱向和橫向的低頻晃動(dòng)，又有沿掛點(diǎn)的高頻振動(dòng)。油液的低頻晃動(dòng)可能會(huì)發(fā)生與飛行員操縱控制頻率的干擾問題，進(jìn)而影響飛機(jī)的穩(wěn)定性，甚至引起飛機(jī)不可控制和飛機(jī)損毀。例如道格拉斯A4D、洛克希德P-80、波音KC-135、賽斯納T-37、北美YF-100 等在飛機(jī)測(cè)試階段都遇到了這一問題[1-2]。油箱結(jié)構(gòu)的高頻振動(dòng)，再加上油箱內(nèi)油液晃動(dòng)的影響，能使油箱結(jié)構(gòu)連接件松動(dòng)，結(jié)構(gòu)局部磨損或產(chǎn)生裂紋而造成泄漏，將影響飛機(jī)的飛行安全[3]。可見，飛機(jī)油箱油液低頻晃動(dòng)和結(jié)構(gòu)高頻振動(dòng)相復(fù)合的晃振現(xiàn)象嚴(yán)重影響飛行安全，必須加以抑制[4]。

機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)晃振模擬試驗(yàn)臺(tái)可以用于模擬真實(shí)機(jī)翼結(jié)構(gòu)晃振現(xiàn)象，進(jìn)而為晃振動(dòng)力學(xué)及其控制研究提供支持。本文首先提出了機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)晃振模擬試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并利用有限元方法進(jìn)行了試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)無液體工況的模態(tài)分析。該試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)頻率與真實(shí)機(jī)翼接近，能夠模擬真實(shí)機(jī)翼結(jié)構(gòu)晃振，可滿足飛機(jī)機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)晃振動(dòng)力學(xué)與控制的研究要求。

1 機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)晃振模擬試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

由于一般平直機(jī)翼布局的飛機(jī)可以把機(jī)翼看成是固定在飛機(jī)機(jī)身上的懸臂梁，而且機(jī)翼面積遠(yuǎn)大于翼剖面面積，再者機(jī)翼厚度遠(yuǎn)小于機(jī)翼長度和寬度，懸臂梁結(jié)構(gòu)又可近似為懸臂板結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計(jì)使懸臂板結(jié)構(gòu)一階模態(tài)與某小型飛機(jī)平直機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)（一階頻率為1～2Hz）接近，故該懸臂板結(jié)構(gòu)可以用來模擬該飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)。用圓筒形充液容器模擬機(jī)翼油箱安裝在懸臂板上，在外激勵(lì)下使充液容器產(chǎn)生縱向晃動(dòng)（圓筒容器長度方向?yàn)榭v向），即可以模擬真實(shí)飛機(jī)機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)晃振。

圖1 機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)晃振模擬試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，懸臂板結(jié)構(gòu)一端固定在支座上，該支座為結(jié)構(gòu)鋼材料。固定夾具材料為鋁合金，通過3組螺栓把懸臂板緊緊夾住。懸臂板材料為鋁合金，圓筒容器材料為有機(jī)玻璃。懸臂板和圓筒容器具體尺寸和材料性能如表1所示。

表1 懸臂板和圓筒容器具體尺寸和材料性能

2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

本文考慮圓筒容器無液體的工況進(jìn)行模態(tài)分析。利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)模態(tài)分析，首先建立如圖1所示的試驗(yàn)臺(tái)幾何模型，然后定義試驗(yàn)臺(tái)各部件的材料屬性，接著進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格劃分

無液體工況下試驗(yàn)臺(tái)前6階固有頻率如表2所示，從表2可以看出，無液體工況試驗(yàn)臺(tái)各階固有頻率與文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]中的機(jī)翼固有頻率相比處于相同的頻率范圍，尤其第1階頻率和振型十分相近，說明設(shè)計(jì)的機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)晃振模擬試驗(yàn)臺(tái)能夠反映真實(shí)機(jī)翼的振動(dòng)特性。

表2 試驗(yàn)臺(tái)前6階固有頻率

3 結(jié)語

真實(shí)飛機(jī)機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)晃振試驗(yàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，不適于有關(guān)機(jī)翼油箱晃振的科學(xué)研究。本文設(shè)計(jì)的飛機(jī)機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)晃振模擬試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，其固有頻率與真實(shí)機(jī)翼接近，其各階固有振型與真實(shí)機(jī)翼相對(duì)應(yīng)，能夠反映真實(shí)機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，可以滿足飛機(jī)機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)晃振動(dòng)力學(xué)分析與控制的研究要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Abzug M.J. Fuel slosh in skewed tanks[J]. Journal of Guidance， Control and Dynamics，19（5）：1172-1178， 1996.

[2]Stengel R.F. Flight dynamics[B]. Princeton University Press， 2004.

[3]葉休乃.飛機(jī)油箱的晃動(dòng)或晃振試驗(yàn)問題綜述[J]. 航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量， 1：45-49， 1986.

[4]李寶方.飛機(jī)燃油箱晃振試驗(yàn)[J]. 航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量， 1：16-20， 1992.

[5]田坤簧， 谷良賢， 王洪偉. 基于Hamilton原理的大展弦比直機(jī)翼固有特性分析[J]. 機(jī)械強(qiáng)度， 32（5）：854-858， 2010.

[6]蔣余芬， 李志學(xué). 基于SimDesigner的柔性機(jī)翼動(dòng)力學(xué)建模與分析[C]//MSC.Software中國用戶論文集， 1-6， 2005.

[責(zé)任編輯：曹明明]