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典型支架动力学模型修正与隔振设计

  • 李意达

    机 构：

    上海飞机设计研究院,上海 201210

    ×
  • ，王嘉浏

    机 构：

    上海飞机设计研究院,上海 201210

    ×

上海飞机设计研究院,上海 201210；

Dynamic model modification and vibration isolation design of typical bracket

  • LI Yida

    Affiliation：

    Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China

    ×
  • ，WANG Jialiu

    Affiliation：

    Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China

    ×

Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210 , China；

作者简介:

李意达,男,硕士,助理工程师。主要研究方向:民机动力学及减振设计。E-mail:liyida@comac.cc;

王嘉浏,男,硕士,高级工程师。主要研究方向:民机动力学及减振设计。E-mail:wangjialiu@comac.cc

通讯作者:

李意达,E-mail:liyida@comac.cc

中图分类号:V214.1

文献标识码:A

DOI:10.19416/j.cnki.1674-9804.2022.02.007

参考文献 1
RTCA.Environmental conditions and test procedures for airborne equipment:RTCA DO-160G[S].USA:RTCA,2010.
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参考文献 2
朱广荣.大型民机结构动力学建模与适航验证分析技术研究[D].南京:南京航空航天大学,2017.
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参考文献 3
徐鉴.振动控制研究进展综述[J].力学季刊,2015,36(4):547-565.
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参考文献 4
隋永乐.汽车动力总成悬置系统的NVH性能设计开发[D].吉林:吉林大学,2012.
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参考文献 5
刘晓昂.基于整车振动控制的动力总成悬置系统设计方法[D].广州:华南理工大学,2016.
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参考文献 6
张保生.船舶主机设备振动控制方法研究[J].舰船科学技术,2020,42(6):91-93.
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参考文献 7
李伟.车身结构动特性分析与自由阻尼层布置优化[D].吉林:吉林大学,2014.
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参考文献 8
芮强,王红岩,欧阳华江.机械结构动力学模型修正技术的现状与发展[J].装甲兵工程学院学报,2012,26(2):1-8.
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参考文献 9
丁继锋,马兴瑞,韩增尧,等.结构动力学模型修正的三步策略及其实践[J].航空学报,2010,31(3):546-552.
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参考文献 10
于金朋,张卫华,黄雪飞,等.基于试验模态的高速列车车体结构动力学模型修正研究[J].噪声与振动控制,2015,35(3):73-77,168.
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参考文献 11
洪良友,贾亮,吴艳红,等.航天结构动力学模型修正方法研究[J].强度与环境,2015,42(1):23-30.
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参考文献 12
陈学前,沈展鹏,刘信恩.考虑模型偏差的结构动力学模型修正[J].振动.测试与诊断,2018,38(2):273-277.
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参考文献 13
陈虎.飞机地面滑跑随机振动响应分析[D].南京:南京航空航天大学,2018.
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参考文献 14
王霄.某皮卡车身结构NVH性能仿真分析与控制[D].镇江:江苏大学,2016.
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参考文献 15
陆玉婷.船用齿轮箱阻尼减振设计及其优化[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2011.
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目录contents

    摘要

    在民机研制过程中,设计要求机载设备所能承受的振动量值需高于标准中规定的量值,而实际上由于供应商设备是货架产品,不一定按照DO-160G规范中所规定标准谱开展振动环境试验。为满足设备振动环境试验要求,在支架装机使用前需要采用相应的减振措施来降低设备处响应。以某型支架为研究对象,对典型支架进行了模态及随机响应分析,并对假件及安装支架实施了正弦扫频试验。依照各方向的扫频试验数据对有限元模型各阶响应进行动力学模型修正,添加刚度及阻尼单元。修正后的模态频率误差在2%以内,相应模态频率处的峰值误差在5%以内。随后对假件-支架系统开展了隔振设计,通过在支架与机身连接处增加隔振器及粘贴阻尼层的方式,使得隔振后的仿真随机响应低于DO-160G标准谱20 dB,结果表明隔振措施有效。

    Abstract

    During the development of the civil aircraft, the design requires that the vibration level of the airborne equipment should be higher than the value specified in the standard. In fact, because the supplier’s equipment is a shelf product, the vibration environment test may not be carried out according to the DO-160G specification. In order to meet the requirements of the equipment vibration environment test, it is necessary to adopt corresponding damping measures to reduce the response of the equipment before the support is installed and used. In this paper, a certain type of bracket was used as the research object. the modal and random response analysis of the typical bracket were carried out, and a sinusoidal frequency sweep test is performed on the dummy and the mounting bracket. According to the frequency sweep test data in various directions, the dynamic model of each order response of the finite element model was modified, and stiffness and damping elements were added. The corrected modal frequency error was within 2%, and the peak error at the corresponding modal frequency was within 5%. Then, a vibration isolation design was carried out for the dummy-bracket system. By adding a vibration isolator and pasting a damping layer at the connection between the bracket and the fuselage, the simulated random response after vibration isolation was 20 dB lower than the DO-160G standard spectrum. The results show that the vibration isolation measures are effective.

  • 0 引言

  • 民机运行过程中,机载设备支架结构承受着复杂的激励情况,设备及支架在上机前需要经历严苛的环境试验[1]以满足设计要求。而实际上由于供应商设备是货架产品,不一定按照DO-160G规范中所规定标准谱开展振动环境试验。若接受供应商提供的量值会对后续设计工作带来风险,则需要采用相应的隔振措施[2-3]。结合悬置系统隔振[4-5]及工程经验[6]确定系统的隔振目标为降20dB,即为原先的1/10。通过调整参数修正模型的动态特性[7-9]以匹配试验结果[10-12],并在此模型的基础上开展随机响应分析[13]和隔振设计[14-15]。

  • 1 模型建立

  • 本文研究的对象为平台式支架,安装位置在机身上。假件及设备支架三维图如图1所示。

  • 前处理使用HYPERMESH,处理器采用OPTISTRUCT。支架建模单元采用Shell壳单元,优先考虑用QUAD4单元建模,材料为2024-T351,材料属性如表1所示。

  • 图1 安装支架

  • 表1 2024-T351材料属性

  • 设备假件以质量点形式模拟,设备重心,模型总重由数模得到,通过数模称重及支架的体积调整材料密度。量取设备假件的重量,在模型中选取质量点(数模量取设备重心处),用rbe3单元模拟质量均布在支架与设备连接处,连接位置在四个紧固件处。有限元模型如图2所示。

  • 图2 设备支架有限元模型

  • 2 扫频试验

  • 为获取支架的固有频率信息及频响特性,对假件及安装支架实施扫频试验。试验采用底部激励方式,将设备假件及支架系统安装在台面上,安装方式如图3所示,由下至上分别为振动台、夹具、支架和设备假件。

  • 图3 振动台加载底部激励示意图

  • 分三个方向进行正弦扫频试验,频率范围10Hz~2 000Hz,幅值0.5g,扫描率不超过1.0倍频程/min(最短需要7.63min)。

  • 本次试验采用电磁振动台系统施加基础激励的方式加载振动载荷谱。试验采用两点平均控制,控制点位置选在夹具表面,测试时,试验件通过夹具与扩展台连接,扩展台与振动台相连,夹具具有足够的刚度,并提供与机上安装位置结构一致的安装表面和孔位。试验所使用的仪器均经计量检定/校准合格并在有效期内使用,见表2。

  • 表2 试验设备表

  • 试验中同步采集各控制点加速度响应,正弦扫频试验中使用各个控制点加速度计信号的平均值与目标试验量级比较并修正振动台激励,实现闭环反馈控制。加速度响应测点分别布置在夹具(靠近夹具与支架连接处)、支架(靠近支架与设备假件连接处)、设备假件(靠近设备假件远离支架的远端)。测点选在靠近支架与设备的连接处(距连接螺栓中心20mm),测点位置表面需有足够的刚度且有良好的垂直度或水平度。

  • 试验过程中,在规定的频率范围内,其加速度试验量级的控制值应限制在规定量值的正负10%范围内,控制信号的总均方根量值应控制在规定加速度功率谱密度曲线的总均方根值的+10%和-5%范围内。

  • 夹具底座处1#、2#为控制测点;在夹具3#(靠近夹具与支架连接处)、支架4#(靠近支架与设备假件连接处)、设备假件5#(靠近设备假件远离支架的远端)布置监测测点,其中,垂向测试及测点布置如图4所示。

  • 图4 垂向测试及测点布置图

  • 3 模型修正

  • 3.1 修正思路

  • 模型修正分为两步,先调节模态频率,对齐前三阶主频;随后计算仿真扫频响应,将仿真的频率响应曲线趋势与试验对齐。主频及频响修正采用添加刚度和阻尼单元的方式,通过调节各方向的刚度和阻尼来模拟试验时支架和底座的连接方式,匹配各方向的模态频率和峰值。

  • 3.2 主频修正

  • 模拟支架与夹具的连接方式,将支架底端的单元节点用rbe2单元连接到同一个节点上。随后在该节点上添加CBUSH刚度单元,并固支刚度单元的另一端。通过调节各方向的刚度来模拟试验时支架和底座连接,从而匹配各方向的模态频率,如图5所示。

  • 图5 添加刚度单元

  • 分别调节刚度单元三个方向的刚度值,将模态主频及方向调准,其中模态频率误差在2%以内,结果见表3。

  • 表3 试验频率结果与修正后模态频率对比

  • 3.3 频响修正

  • 仿真激励的频率范围为10Hz~2 000Hz,幅值0.5g,计算支架的频率响应并与试验曲线对比,试验与仿真点均选在假件处。通过调节cbush单元的结构阻尼来匹配各阶模态的峰值。经过分析,垂向的结构阻尼为0.09,横向为0.17,纵向结构阻尼不变。垂向、横向及纵向对照结果如图6~图8所示。

  • 图6 垂向试验和仿真频响对比

  • 图7 横向试验和仿真频响对比

  • 图8 纵向试验和仿真频响对比

  • 修正模型的主频并对齐频响曲线的峰值,将仿真模型与试验得到的模态及峰值比对,修正后的模态峰值误差均在5%以内,结果见表4。

  • 表4 试验结果与修正后模态峰值对比

  • 4 隔振分析

  • 4.1 随机响应

  • 假设系统受到均值为零的白噪声激励,激励功率谱密度为S 0,系统的频率传递函数为HxA(jω),则受到单方向激励的系统响应功率谱密度函数如式(1)所示。

  • SxA(ω)=HxA(jω)2S0
    (1)

  • 支架安装在机身上,根据DO-160G规定,仿真激励谱曲线选择C曲线,沿设备假件的三个正交轴向分别仿真。

  • 以垂向为例,约束支架与底座连接处的六个方向自由度,在垂向施加加速度激励,位置在支架的连接节点上,如图9所示,根据经验,对于铝合金材料,结构阻尼G全频段参考值为0.03。选取响应点位于假件处,计算其随机振动响应。

  • 图9 随机振动响应激励位置

  • 4.2 隔振设计

  • 在实际工程中,一般在支架与设备间不做结构上的改动。考虑隔振器安装在支架和底座连接处,在Hypermesh中使用Grounded Bushing单元模拟隔振器单元。支架连接处两侧各有11个螺栓孔,总共有22个隔振器单元,如图10所示。

  • 图10 隔振器单元布置

  • 系统关注垂向的隔振效果,垂向随机响应主峰为471Hz,如图11所示,则隔振思路转变为削减主峰处的峰值,要求安装隔振系统后,响应点的加速度随机振动响应低于输入谱D0-160G-C曲线20dB。

  • 图11 垂向仿真随机响应结果

  • 隔振系统的固有频率应取合适范围,激励频率与固有频率之比需要大于2。根据工程经验,固有频率一般取激励频率的0.2倍~0.5倍。

  • 令m为支架及假件的质量和,n为选取隔振器的数量,f为隔振系统的垂向主频,频率比为u,由式(2)计算得到单个隔振器的垂向刚度参数K。

  • K=(2πfu)2mn
    (2)

  • 当频率比u=0.2,垂向主频f=471Hz,支架及假件的质量和m=1.09344kg,隔振器数量n=22,计算得到K=17411.4 N/m。

  • 4.3 参数分析

  • 取频率比u=[0.2 0.3 0.4 0.5],分别计算得到隔振器刚度K的取值范围在17 N/mm~108 N/mm间。计算不同隔振器刚度下的垂向设备随机响应结果如图12所示。

  • 图12 垂向随机响应随隔振器刚度的变化

  • 结果表明当频率比越高,隔振效果越好。说明提高隔振器的刚度,且频率比大于0.3时,隔振效果能满足要求。

  • 但随着隔振器刚度的增大,质量体积也会不断增大。往往受限于安装空间和附加质量的要求,隔振器的刚度不足。在这种情况下为达到隔振设计指标,考虑在支架结构表面粘贴阻尼层,削减峰值处的响应,对全频段响应作进一步的分析,结果如图13所示。

  • 图13 垂向随机响应随全局阻尼的变化

  • 从结果看增大全局阻尼,全局阻尼从0.03增大到0.1,即能满足隔振要求。

  • 5 结论

  • 本文针对典型支架开展动力学模型修正及隔振仿真设计,得到以下结果:

  • 1) 调节仿真模型,将仿真模型与试验得到的模态及峰值比对,控制模态频率误差在2%以内,修正后的模态峰值误差均在5%以内;

  • 2) 开展隔振仿真设计,结果表明频率比越高,隔振效果越好。当频率比大于0.3时,隔振效果能满足隔振要求,随机响应结果低于D0160-C曲线20dB。当隔振器刚度不足时,可在支架结构表面粘贴阻尼层,削减峰值处的响应。

  • 参考文献

    • [1] RTCA.Environmental conditions and test procedures for airborne equipment:RTCA DO-160G[S].USA:RTCA,2010.

    • [2] 朱广荣.大型民机结构动力学建模与适航验证分析技术研究[D].南京:南京航空航天大学,2017.

    • [3] 徐鉴.振动控制研究进展综述[J].力学季刊,2015,36(4):547-565.

    • [4] 隋永乐.汽车动力总成悬置系统的NVH性能设计开发[D].吉林:吉林大学,2012.

    • [5] 刘晓昂.基于整车振动控制的动力总成悬置系统设计方法[D].广州:华南理工大学,2016.

    • [6] 张保生.船舶主机设备振动控制方法研究[J].舰船科学技术,2020,42(6):91-93.

    • [7] 李伟.车身结构动特性分析与自由阻尼层布置优化[D].吉林:吉林大学,2014.

    • [8] 芮强,王红岩,欧阳华江.机械结构动力学模型修正技术的现状与发展[J].装甲兵工程学院学报,2012,26(2):1-8.

    • [9] 丁继锋,马兴瑞,韩增尧,等.结构动力学模型修正的三步策略及其实践[J].航空学报,2010,31(3):546-552.

    • [10] 于金朋,张卫华,黄雪飞,等.基于试验模态的高速列车车体结构动力学模型修正研究[J].噪声与振动控制,2015,35(3):73-77,168.

    • [11] 洪良友,贾亮,吴艳红,等.航天结构动力学模型修正方法研究[J].强度与环境,2015,42(1):23-30.

    • [12] 陈学前,沈展鹏,刘信恩.考虑模型偏差的结构动力学模型修正[J].振动.测试与诊断,2018,38(2):273-277.

    • [13] 陈虎.飞机地面滑跑随机振动响应分析[D].南京:南京航空航天大学,2018.

    • [14] 王霄.某皮卡车身结构NVH性能仿真分析与控制[D].镇江:江苏大学,2016.

    • [15] 陆玉婷.船用齿轮箱阻尼减振设计及其优化[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2011.

  • 基本信息

    中图分类号: V214.1
    文献标识码: A
    DOI: 10.19416/j.cnki.1674-9804.2022.02.007

    基金信息

    引用信息

    李意达,王嘉浏.典型支架动力学模型修正与隔振设计[J].民用飞机设计与研究,2022(2):46-51.

    LI Y D, WANG J L. Dynamic model modification and vibration isolation design of typical bracket[J].Civil Aircraft Design and Research,2022(2):46-51(in Chinese).

    稿件历史

  • 参考文献

    • [1] RTCA.Environmental conditions and test procedures for airborne equipment:RTCA DO-160G[S].USA:RTCA,2010.

    • [2] 朱广荣.大型民机结构动力学建模与适航验证分析技术研究[D].南京:南京航空航天大学,2017.

    • [3] 徐鉴.振动控制研究进展综述[J].力学季刊,2015,36(4):547-565.

    • [4] 隋永乐.汽车动力总成悬置系统的NVH性能设计开发[D].吉林:吉林大学,2012.

    • [5] 刘晓昂.基于整车振动控制的动力总成悬置系统设计方法[D].广州:华南理工大学,2016.

    • [6] 张保生.船舶主机设备振动控制方法研究[J].舰船科学技术,2020,42(6):91-93.

    • [7] 李伟.车身结构动特性分析与自由阻尼层布置优化[D].吉林:吉林大学,2014.

    • [8] 芮强,王红岩,欧阳华江.机械结构动力学模型修正技术的现状与发展[J].装甲兵工程学院学报,2012,26(2):1-8.

    • [9] 丁继锋,马兴瑞,韩增尧,等.结构动力学模型修正的三步策略及其实践[J].航空学报,2010,31(3):546-552.

    • [10] 于金朋,张卫华,黄雪飞,等.基于试验模态的高速列车车体结构动力学模型修正研究[J].噪声与振动控制,2015,35(3):73-77,168.

    • [11] 洪良友,贾亮,吴艳红,等.航天结构动力学模型修正方法研究[J].强度与环境,2015,42(1):23-30.

    • [12] 陈学前,沈展鹏,刘信恩.考虑模型偏差的结构动力学模型修正[J].振动.测试与诊断,2018,38(2):273-277.

    • [13] 陈虎.飞机地面滑跑随机振动响应分析[D].南京:南京航空航天大学,2018.

    • [14] 王霄.某皮卡车身结构NVH性能仿真分析与控制[D].镇江:江苏大学,2016.

    • [15] 陆玉婷.船用齿轮箱阻尼减振设计及其优化[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2011.

    • 出版刊物

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