第18卷增刊應(yīng)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)動機安裝結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計施榮明(沈陽飛機設(shè)計研究所沈陽110035)摘要敘述了以殲八飛機為例的發(fā)動機安裝結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計的背景技術(shù)關(guān)鍵、九五期間的研究內(nèi)容以及取得的進(jìn)展和結(jié)論。關(guān)鍵詞動力分析振動響應(yīng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)第四代戰(zhàn)斗機的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)為27%這是一個非常嚴(yán)酷的指標(biāo)他意味著有一個能滿足強度、剛度要求下的最輕最合理的飛機結(jié)構(gòu)殼體只有在這個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(zhàn)效能才能安裝火控、雷達(dá)、大量的電子設(shè)備、大功率的發(fā)動機等等。所以滿足強度、剛度條件下最輕的飛機結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)強度專業(yè)領(lǐng)域幾代人奮斗的目標(biāo)為達(dá)到上述要求和目標(biāo)可從四個方面努力1)千方百計降低給飛機的載荷2)合理的結(jié)構(gòu)型式和結(jié)構(gòu)布局3)盡多的利用新結(jié)構(gòu)、新材料4)各方面的精確分析和充分的試驗。動強度是強度中的一種新機研制中暴露出眾多的動強度問題殲八飛機就有十一個之多殲轟七也不例外振動問題是結(jié)構(gòu)強度領(lǐng)域內(nèi)大家關(guān)心的一個問題。本課題研究的背景和目標(biāo)就是如何降低飛相的總休振動水亞K相有兩大主要振源,是氣動力引起的振動和飛行速壓有關(guān)很難避免中國煤化工上速壓另一是發(fā)動機引起的振動發(fā)動機不振動是不可能的但如何在CNMHG傳給飛機的振動最小通過工作是可以做到的發(fā)動機安裝的結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計就是針對這個問題而開展的研究工作。*來稿旦邦3作者1男1940年生博導(dǎo)研究員12應(yīng)用力學(xué)學(xué)報2技術(shù)關(guān)鍵如何在發(fā)動機振動不變的前提下,使其傳給飛機的振動量最小這就需要通過發(fā)動機傳給飛機振動的發(fā)動機安裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計來解決這個問題。1)發(fā)動機安裝是一個桿系結(jié)構(gòu)以殲八飛機為例它有兩臺發(fā)動機每臺發(fā)動機在兩個橫截面上共有五根支杄支撐和飛機結(jié)構(gòu)相連這就是所謂的發(fā)動機安裝結(jié)構(gòu)”簡稱為發(fā)動機安裝發(fā)動機飛機結(jié)構(gòu)安裝結(jié)構(gòu)一定強度結(jié)構(gòu)動力學(xué)振動響應(yīng)的振動源設(shè)計工作最小若振動載荷下降客觀存在主觀努力工作達(dá)到預(yù)期目標(biāo)10%則結(jié)構(gòu)動強度的壽命增加782)為達(dá)到上述目標(biāo)要解決4個技術(shù)關(guān)鍵①如何得到發(fā)動機的振動載荷②如何解決阻尼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的減振優(yōu)化設(shè)計問題以及如何研制岀能安裝在發(fā)動機支桿上的減振構(gòu)件。③結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)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(shè)計驗證試驗)3研究內(nèi)容為了解決上述四個技術(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(gòu)件的設(shè)計與研制CNMHG通過課題組的努力設(shè)計并研制岀了能適合在發(fā)動機支架上安裝阻尼減振構(gòu)件。根據(jù)發(fā)動機載荷大的特點采用了鋼絲網(wǎng)減振購件。設(shè)計很巧妙解決了雙向受力和雙向減振的問②阻尼構(gòu)驗段的設(shè)計與研制施榮明發(fā)動機安裝結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計13全體參研人員共同努力創(chuàng)造性地設(shè)計岀與飛杋實物基本為1∶的模擬試驗段。在保證與真實飛機的動力特性基本一致的前提下進(jìn)行分析、試驗研究③動載荷識別的研究與應(yīng)用要在試驗段上施加模擬的動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測獲得。因此如何研究動載荷的載荷識別技術(shù)并加以實際應(yīng)用在本課題中走了一個全過程3.2在阻尼結(jié)構(gòu)試驗段的驗證試驗方面④非線性響應(yīng)分析與試驗在粘彈性阻尼減振和隔振設(shè)計中主要研究了粘彈性阻尼材料的動力學(xué)性能、本構(gòu)關(guān)系的描述方法、試驗測試和參數(shù)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、非線性響應(yīng)分析與試驗以及減振的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。⑤試驗件的模態(tài)分析與一致性評估⑥發(fā)動機安裝的有限元建模與分析工作為研究發(fā)動機的減振問題必須把發(fā)動機及發(fā)動機安裝進(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際試件的一致性評估與分析也是本課題的重要工作內(nèi)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)動機、發(fā)動機架、機體一體化有限元建模與分析為了了解在發(fā)動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)動機附近而是涉及到整架飛機。為此,必需開展整架飛機的結(jié)構(gòu)動力學(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(guī)模為9133節(jié)點、板、桿、梁元22組共16041個單元。為下一步的全機仿真分析打下良好的基礎(chǔ)。⑧減振前、后發(fā)動機、發(fā)動機架、機體一體化仿真研究按理應(yīng)將減振構(gòu)件裝到飛機上進(jìn)行發(fā)動機地面開車實測其減振效果是最理想的但真實的減振構(gòu)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裝機件尚有定差別但通過計算機仿真也能逼真地看到其減振的效果和作用。通過計算機仿真證明更換設(shè)計好的減振構(gòu)件可使飛機前設(shè)備艙的發(fā)動機減振載荷降低15%這就意味著能提高動強度壽命2.5倍效果是非常顯著的。3.4在結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計方法研究與軟件包編制方面⑨阻尼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計繼八、五"到九、五”十年的努力終于在以前的基礎(chǔ)上做到了結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計的三要素的全面設(shè)計即M、K、C結(jié)構(gòu)的質(zhì)量剛度阻尼的設(shè)計,可以做到按設(shè)定頻率來設(shè)計出結(jié)構(gòu)部件也能做到按設(shè)定的響應(yīng)控制來設(shè)計出結(jié)構(gòu)部件來使飛機設(shè)計首次達(dá)到了動強度能進(jìn)行主動設(shè)計的境界這是振動界的科技人員奮斗了中國煤化玉們工作的理想目標(biāo)之CNMHG⑩結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計分析軟件包的提供我們課題組不僅從理論上解決了結(jié)構(gòu)動力學(xué)范疇內(nèi)三要素,M、K、C的結(jié)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計問題而是提供了一套能在各飛機設(shè)計所使用的結(jié)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計軟件它建立在微機PC機戲皮蕭型分析軟件 NASTRAN等為基礎(chǔ)的和NT操作環(huán)境下具有廣泛的實用性,14應(yīng)用力學(xué)學(xué)報提供了一套設(shè)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)模型的動載荷識別研究與應(yīng)用在本課題研究中根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論推導(dǎo)了在時域中用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法自回歸函數(shù)相應(yīng)建立了具有時延反饋的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動載荷識別模型數(shù)值仿真和試驗件旳驗證試驗表明該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于動載荷識別時具有精度高、無累積誤差抗干擾能力強等優(yōu)點并適用于各種類型動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)勢在動態(tài)標(biāo)定過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(yīng)用的動載荷識別方法也是值得在工程中推廣應(yīng)用的一種新型動載荷識別方法;②阻尼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的減振優(yōu)化設(shè)計提岀利用粘彈性阻尼隔振結(jié)構(gòu)塊進(jìn)行機械設(shè)備的三向隔振的分析和設(shè)計方法相應(yīng)地提岀含粘彈性阻尼材料結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析方法和粘彈性阻尼減振的多目標(biāo)動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計方法③GSW-1的研制成功種可進(jìn)行設(shè)計的鋼絲網(wǎng)狀的減振構(gòu)件,可以安裝到發(fā)動機支桿系統(tǒng)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(shè)備艙部位減振前、后減振效果達(dá)到下降振動載荷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)制造飛機上的真實減振構(gòu)件打下了堅實的基礎(chǔ)。④發(fā)動機的安裝減振設(shè)計的半物理仿真與數(shù)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)是實物構(gòu)件了所以稱之謂半物理仿真。在模擬機樣狀態(tài)下完成了全部試驗內(nèi)容包括模態(tài)試驗和減振前后的響應(yīng)試驗并達(dá)到了預(yù)期的目的數(shù)字仿真也完成了全部計算內(nèi)容工作是成功的。4.2效果與應(yīng)用4.2.1效果①研究一套結(jié)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計的方法提供了一套可供各飛機設(shè)計所使用的結(jié)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計的軟件,為飛機的結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計工作開闊了道路使飛機的動強度設(shè)計進(jìn)入了個新的階段結(jié)束了以靜強度為主設(shè)計的歷史階段開創(chuàng)了在飛機設(shè)計早期圖紙設(shè)計階段),就可按特性包括頻率特性和響應(yīng)特性)來設(shè)計飛機部件和安裝結(jié)構(gòu)包括發(fā)動機安裝、設(shè)備安裝結(jié)構(gòu))的可能性填補了動強度研究在這個領(lǐng)域內(nèi)的空白。②通過本課題研究達(dá)到了預(yù)期的目的通過實驗件的試驗和計算機仿真初步結(jié)果表明加換減振構(gòu)件以后在飛機前設(shè)備艙能降低振中國煤化工強度壽命2.5倍這意味著前設(shè)備艙眾多的設(shè)備在其它條件不變的∏CNMHG2.5倍具有重要的經(jīng)濟價值和軍事價值提高飛機設(shè)計的質(zhì)量確實起到了降低飛機總體振動水平的作用,為下步在飛機上實際應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。③完善了結(jié)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計的方法使結(jié)構(gòu)動力學(xué)三要素M、K、C都有了主動設(shè)計的可能不捷懊方法還提供了設(shè)計手段可以在各飛機設(shè)計所推廣使用。為十、五"及以后施榮明發(fā)動機安裝結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計移植到飛機上的實際應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)?？傊菊n題研究完全達(dá)到了原來預(yù)期的目標(biāo)。4.2.2應(yīng)用①發(fā)動機安裝;②設(shè)備安裝③需要控制頻率和響應(yīng)的部位。參考文獻(xiàn)1施榮明結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計的現(xiàn)狀與展望西安《應(yīng)用力學(xué)學(xué)報》Vol1720007(S1):90~932姚起杭等編,飛機動強度設(shè)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)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