內(nèi)埋彈艙典型結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)分析與試驗驗證

沈重，王虎寅，趙斌，陳忠明

（沈陽飛機設(shè)計研究所，沈陽 110035）

高隱身飛機均采用內(nèi)埋式彈艙結(jié)構(gòu)，因此在超音速及跨音速下打開武器艙門時，不穩(wěn)定氣流進入彈艙內(nèi)，在艙內(nèi)前后產(chǎn)生膨脹波和壓縮波，這種膨脹波和壓縮波誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強烈振動[1-2]。在該環(huán)境下，結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生疲勞破壞，影響飛機飛行安全。

內(nèi)埋彈艙振動、噪聲特性研究始于針對空腔的流動激勵研究。早期，針對空腔振動、噪聲研究只限于風(fēng)洞試驗方法。1964年，Rossiter[3]首先對亞、跨聲速條件下的空腔流動機理進行了大量的試驗研究。通過顯示技術(shù)，Rossiter發(fā)現(xiàn)了空腔周圍的脫落渦和壓力波，并推導(dǎo)出用于估算空腔流動自持振蕩頻率的半經(jīng)驗公式。后續(xù)眾多學(xué)者[4-6]對空腔噪聲進行了詳細的研究，完善了空腔流動理論。

通過Rossiter半經(jīng)驗公式可知，彈艙后部結(jié)構(gòu)，特別是后壁板所處的環(huán)境最為惡劣，因此，文中針對內(nèi)埋彈艙后壁板典型結(jié)構(gòu)形式進行了振動響應(yīng)分析，并與振動試驗進行了對比。結(jié)果表明，內(nèi)埋彈艙采用的加筋結(jié)構(gòu)形式合理，有限元計算結(jié)果能夠滿足動強度在工程上的計算精度要求。

1 試驗

內(nèi)埋彈艙的典型結(jié)構(gòu)如圖 1所示，采用加筋板結(jié)構(gòu)形式，長約377 mm，寬約400 mm，高約25 mm，結(jié)構(gòu)材料為抗疲勞性能較的 7050鋁合金。利用MSC.PATRAN對該結(jié)構(gòu)進行有限元建模，壁板及筋條采用 shell單元模擬，共有 8389個 shell單元，8507個節(jié)點，邊界采用固支模擬，有限元模型如圖2所示。

2 動力學(xué)分析

2.1 模態(tài)分析

利用 MSC.NASTRAN SOL103模塊對該結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，可得前三階固有頻率為493、652、784 Hz，第一階振型如圖3所示。

2.2 隨機響應(yīng)分析

隨機振動響應(yīng)分析是由系統(tǒng)輸入的統(tǒng)計特性計算系統(tǒng)輸出的統(tǒng)計特性，研究的基本問題是由輸入的自相關(guān)函數(shù)或功率譜密度函數(shù)來確定系統(tǒng)輸出的自相關(guān)函數(shù)或功率譜密度函數(shù)，從而確定系統(tǒng)響應(yīng)的方差和均方差。結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程為[7]：

式中：M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣。若初始速度和位移為0，則系統(tǒng)響應(yīng)只由隨機激勵引起，求杜哈梅（Duhamel）積分得到時域響應(yīng)，也可用積分變換得到頻域響應(yīng)：

式中：h(t)為脈沖響應(yīng)函數(shù)；H(ω)為頻率響應(yīng)函數(shù)，與h(t)為一對傅里葉變換對。

計算所用的振動載荷譜如圖4所示，得到各位置的加速度響應(yīng)及應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果，用于指導(dǎo)后續(xù)試驗中傳感器布置及結(jié)果對比。

3 試驗驗證

3.1 測點布置

根據(jù)隨機響應(yīng)計算結(jié)構(gòu)，確定了振動試驗時的加速度及應(yīng)變的測點位置，如圖5、圖6所示，共兩件試驗件。

3.2 掃頻結(jié)果對比分析

對兩件試驗件進行正弦掃頻試驗，1號試驗件第一階峰值頻率約為509 Hz，2號試驗件第一階峰值頻率約為495 Hz。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可知，有限元計算的第一階頻率與試驗掃頻結(jié)果較為接近，因此，有限元模型及邊界條件模擬較為準確。

3.3 加速度測試結(jié)果對比分析

對兩件試驗件按振動譜進行隨機振動試驗，振動控制譜精度滿足國軍標要求，試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果見表 1。可以看出，1號點、3號點的有限元計算得到的加速度響應(yīng)與試驗結(jié)果較為接近，2號點與試驗結(jié)果相差較大，誤差為23.2%，基本滿足工程計算結(jié)果要求。

3.4 應(yīng)變測試結(jié)果對比分析

應(yīng)力測試結(jié)果與計算結(jié)果對比見表 2。從表 2可以看出，應(yīng)力計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果存在一定誤差。主要是由于有限元模型建模過程中進行了簡化，去除了倒角等細節(jié)信息，此外各階的模態(tài)阻尼無法在有限元模型中準確地模擬導(dǎo)致計算誤差。在各應(yīng)變測試點中，3號測點的計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果誤差最大，為-39.1%，其他測點二者誤差大多在20%以下。兩件試驗件平均誤差基本在 20%以下，表明有限元計算結(jié)果能夠滿足動強度在工程上的計算精度要求。

表1 加速度測試結(jié)果與計算分析結(jié)果對比表

表2 應(yīng)力測試結(jié)果與計算分析結(jié)果對比表

4 結(jié)論

文中通過對內(nèi)埋彈艙典型結(jié)構(gòu)進行振動試驗及有限元分析，可以得到以下結(jié)論：

1）內(nèi)埋彈艙典型結(jié)構(gòu)試驗件在本次試驗規(guī)定的振動載荷和試驗條件下完成了試驗，試驗件未發(fā)現(xiàn)工程目視可檢裂紋等破壞現(xiàn)象，達到了規(guī)定的抗振能力，表明內(nèi)埋彈艙選擇該種加筋結(jié)構(gòu)形式合理，滿足動強度設(shè)計要求。

2）通過對有限元計算結(jié)果與測試結(jié)果對比可知，有限元計算結(jié)果能夠滿足動強度在工程上的計算精度要求。