杭 燚，孫 帆，沈文軍

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

直升機(jī)載顯控臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

杭 燚，孫 帆，沈文軍

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

針對(duì)直升機(jī)載平臺(tái)設(shè)計(jì)了輕型化高剛強(qiáng)度顯控臺(tái)。首先介紹了直升機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)環(huán)境特點(diǎn)。然后根據(jù)要求設(shè)計(jì)了復(fù)合材料顯控臺(tái)，并對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析，在此基礎(chǔ)上選用了合適的隔振系統(tǒng)，并采用剛度法使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到解耦。最后對(duì)顯控臺(tái)及上裝設(shè)備進(jìn)行了振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)順利通過。結(jié)果表明，顯控臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，隔振系統(tǒng)選用適當(dāng)，滿足直升機(jī)載平臺(tái)嚴(yán)酷環(huán)境要求。該方法可為類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供參考。

直升機(jī)；顯控臺(tái)；振動(dòng)

引 言

近年來，若干型號(hào)的直升機(jī)相繼設(shè)計(jì)定型，越來越多的機(jī)載電子設(shè)備被加裝到直升機(jī)載平臺(tái)上。這些電子設(shè)備正朝著輕小型化和高環(huán)境適應(yīng)性的方向發(fā)展，在直升機(jī)載平臺(tái)上，面臨著嚴(yán)酷的振動(dòng)與沖擊環(huán)境，其工作穩(wěn)定性和可靠性是設(shè)計(jì)人員必須考慮的設(shè)計(jì)因素，目前許多加裝在直升機(jī)平臺(tái)上的小型分機(jī)級(jí)電子設(shè)備均遇到過此類問題[1-3]。

隨著電子設(shè)備數(shù)量的增多，需要有機(jī)柜(機(jī)架)級(jí)的結(jié)構(gòu)設(shè)備將電子設(shè)備集成安裝在直升機(jī)上，例如顯控臺(tái)。顯控臺(tái)是直升機(jī)載電子系統(tǒng)的主要人機(jī)交互設(shè)備，在其重量嚴(yán)格限制的前提下，需采用高性能的碳纖維復(fù)合材料作為顯控臺(tái)機(jī)架的成型主材，并采取整體成型或分體成型、膠鉚連接相結(jié)合的措施和碳纖維-輕質(zhì)泡沫夾層的加固方法，使機(jī)架的整體結(jié)構(gòu)滿足系統(tǒng)的剛強(qiáng)度性能指標(biāo)，并最大限度地減輕系統(tǒng)的重量。

碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)用較多，但是對(duì)于機(jī)載顯控臺(tái)而言，確是首次。本文討論了某直升機(jī)載設(shè)備振動(dòng)環(huán)境的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了具有開放式復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的直升機(jī)載顯控臺(tái)，對(duì)其進(jìn)行三維建模和模態(tài)分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行隔振緩沖設(shè)計(jì)，并對(duì)實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)。

1 機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性分析

直升機(jī)載電子設(shè)備裝機(jī)后，必須適應(yīng)惡劣的振動(dòng)與沖擊環(huán)境。直升機(jī)是非常復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，其工作環(huán)境的振動(dòng)也非常復(fù)雜。在飛行過程中，直升機(jī)振動(dòng)的激勵(lì)力包括旋翼引起的nKΩ激勵(lì)力(其中K為槳葉片數(shù)，Ω為旋翼轉(zhuǎn)速，n=1, 2, 3, …)、旋翼質(zhì)量和氣動(dòng)不平衡引起的1Ω激勵(lì)力、旋翼尾流引起的KΩ激勵(lì)力、尾槳的激勵(lì)力、發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)力、各旋轉(zhuǎn)部件(傳動(dòng)軸、減速器)質(zhì)量不平衡引起的激勵(lì)力以及機(jī)載武器發(fā)射產(chǎn)生的激振力等[4-5]。圖1為某直升機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)環(huán)境。

圖1 某直升機(jī)平臺(tái)的振動(dòng)環(huán)境

2 顯控臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研究的對(duì)象為某直升機(jī)載顯控臺(tái)，其主要組成包括顯控臺(tái)機(jī)架、顯示器及機(jī)架上安裝的其余電子設(shè)備。整個(gè)顯控臺(tái)(含上裝設(shè)備)的重量約為60 kg，其中作為承載系統(tǒng)的顯控臺(tái)機(jī)架重量不大于12 kg。為了減重，顯控臺(tái)機(jī)架設(shè)計(jì)為開放式結(jié)構(gòu)，通過底部和背部與直升機(jī)的地板和圍框固定。復(fù)合材料顯控臺(tái)的機(jī)架采用碳纖維、蜂窩芯的“三明治”結(jié)構(gòu)。其中碳纖維鋪層形式為：[0/+45/-45/90]2S，厚度為0.125 mm，層數(shù)統(tǒng)一為16層，總厚度為2 mm。顯控臺(tái)不同部位的厚度主要是通過控制蜂窩的厚度來保證，蜂窩厚度主要為8 mm，18 mm和28 mm 3種。

顯控臺(tái)機(jī)架分上下兩部分，每部分先各自鋪層成型，再進(jìn)行整體膠結(jié)。見圖2和表1。

圖2 顯控臺(tái)結(jié)構(gòu)形式及主要安裝設(shè)備

序號(hào)名稱重量/kg1顯示器10.52顯示器10.53設(shè)備A1.24設(shè)備B4.55設(shè)備C1.46設(shè)備D17設(shè)備E1.38設(shè)備F2.79機(jī)架12

2.2 模態(tài)分析

運(yùn)用三維實(shí)體建模，并將顯控臺(tái)的三維實(shí)體模型導(dǎo)入HyperMesh軟件中進(jìn)行有限元前處理網(wǎng)格劃分，運(yùn)用Ansys有限元軟件對(duì)顯控臺(tái)進(jìn)行分析計(jì)算。

對(duì)組成顯控臺(tái)的實(shí)體模型進(jìn)行四面體體網(wǎng)格及三角形單元網(wǎng)格劃分，獲得其網(wǎng)格模型。對(duì)顯控臺(tái)機(jī)架整體進(jìn)行模態(tài)分析，機(jī)架的前20階固有頻率見表2，前4階振型見圖3～圖6。

表2 顯控臺(tái)前20階固有頻率

圖4 顯控臺(tái)第2階振型

圖5 顯控臺(tái)第3階振型

圖6 顯控臺(tái)第4階振型

從表2和圖3～圖6中可以看出，機(jī)架在100 Hz內(nèi)僅有4階模態(tài)，其固有頻率與正弦激勵(lì)頻率點(diǎn)不重合，且這4階模態(tài)中都沒有對(duì)垂直上下、水平前后和水平左右激勵(lì)反應(yīng)較大的模態(tài)。這說明在此3個(gè)方向加正弦激勵(lì)后，機(jī)架的剛度好、變形小，機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理。

2.3 隔振緩沖設(shè)計(jì)

在直升機(jī)振動(dòng)沖擊載荷作用下，顯控臺(tái)按其本身的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生力、位移和加速度等響應(yīng)。為了保證設(shè)備的工作性能并提高使用壽命，必須將其與直升機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊進(jìn)行隔離。選擇合適的隔振系統(tǒng)，利用隔振器的彈性和阻尼特性，衰減動(dòng)態(tài)力對(duì)顯控臺(tái)的影響，可將其承受的振動(dòng)和沖擊量控制在允許范圍內(nèi)。

由于顯控臺(tái)上安裝有若干離散質(zhì)量的構(gòu)件，存在著質(zhì)心偏離幾何中心的情況，因此需要對(duì)其進(jìn)行解耦設(shè)計(jì)。

對(duì)于本系統(tǒng)而言，重量要求嚴(yán)格，因此不適宜采用配重法在顯控臺(tái)內(nèi)加裝配重，將質(zhì)心調(diào)配到剛度中心。必須采用剛度法，通過調(diào)整底部隔振器剛度，將剛度中心與質(zhì)量中心重合。當(dāng)選用相同固有頻率fn的隔振器時(shí)，各隔振器的剛度ki為

式中，Wi為相應(yīng)隔振器實(shí)際的承載量。

目前機(jī)載電子設(shè)備選用的隔振器主要為鋼絲繩隔振器和無諧振峰隔振器，這兩種隔振器的彈性特性和阻尼特性主要由金屬構(gòu)件決定，具備良好的環(huán)境適應(yīng)性?？紤]到無諧振峰隔振器具有低固有頻率，在顯控臺(tái)受到正弦激勵(lì)(啟動(dòng)頻率21.2 Hz處)時(shí)已處于隔振區(qū)，因此選擇無諧振峰(GWF型)隔振器作為本顯控臺(tái)的隔振系統(tǒng)。根據(jù)無諧振峰隔振器系統(tǒng)隔振緩沖的工作原理和其特性[6-7]可知，該隔振器是根據(jù)隔振、緩沖技術(shù)所要求的變剛度、變阻尼特性設(shè)計(jì)的隔振系統(tǒng)，采用剛度擬合技術(shù)和干摩擦阻尼技術(shù)實(shí)現(xiàn)低固有頻率，無共振放大，并可兼顧緩沖。在結(jié)構(gòu)上，采用幾組具有獨(dú)立特性的阻尼特性組件，從而可以靈活地組裝成具有不同承載量、不同動(dòng)態(tài)特性的隔振器或阻尼緩沖器。

為防止顯控臺(tái)裝機(jī)后，由飛機(jī)載體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化(起飛、降落、回旋等)而產(chǎn)生的慣性力、離心力、離心力矩、傾覆力、傾覆力矩，以及艙壁的振動(dòng)、沖擊等對(duì)隔振系統(tǒng)造成有害影響，特選用非承載類GBJ型背架式隔振器對(duì)整個(gè)底部隔振系統(tǒng)起穩(wěn)定保護(hù)作用。GBJ型隔振器的垂向和水平固有頻率較低，對(duì)底部GWF型隔振器垂向特性影響很小，而在水平面內(nèi)的任意方向固有頻率相同，其剛度曲線是關(guān)于原點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)稱曲線。

通過調(diào)整GWF型隔振器不同的動(dòng)態(tài)特性并配套使用GBJ型隔振器，有利于采用剛度法將顯控臺(tái)的剛度中心與質(zhì)量中心重合，達(dá)到解耦目的。

3 振動(dòng)沖擊試驗(yàn)

本試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證隔振器的選型及顯控臺(tái)機(jī)架在直升機(jī)載環(huán)境下的強(qiáng)度校核。振動(dòng)試驗(yàn)條件為按照?qǐng)D1的量值對(duì)顯控臺(tái)進(jìn)行豎直上下、水平前后、水平左右3個(gè)方向，每個(gè)方向1 h的功能振動(dòng)試驗(yàn)，并將此量值放大1.5倍，3個(gè)方向進(jìn)行2.5 h的耐久振動(dòng)試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)波形為半正弦波，峰值加速度為15g，持續(xù)時(shí)間為11 ms，3軸6向，每向3次。顯控臺(tái)垂向振動(dòng)試驗(yàn)見圖7。

圖7 顯控臺(tái)垂向振動(dòng)試驗(yàn)

在顯控臺(tái)經(jīng)歷1 h的功能振動(dòng)試驗(yàn)、2.5 h的耐久振動(dòng)試驗(yàn)及沖擊試驗(yàn)后，對(duì)顯控臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢查和開機(jī)性能檢測(cè)，結(jié)果均正常。同時(shí)，從顯控臺(tái)上各監(jiān)控點(diǎn)處傳感器測(cè)得的響應(yīng)曲線可以看出，隔振器的減振效果明顯，顯控臺(tái)機(jī)架上各設(shè)備處的響應(yīng)值均小于設(shè)備的承受能力。顯控臺(tái)振動(dòng)響應(yīng)曲線如圖8所示。

圖8 顯控臺(tái)振動(dòng)響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)機(jī)載電子設(shè)備輕型化和高環(huán)境適應(yīng)性的需求，結(jié)合直升機(jī)載平臺(tái)的力學(xué)環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以碳纖維復(fù)合材料為成型主材的直升機(jī)顯控臺(tái)。研制過程中對(duì)顯控臺(tái)機(jī)架進(jìn)行了仿真分析保證其剛強(qiáng)度，并選用合適的隔振系統(tǒng)，使整個(gè)顯控臺(tái)通過了直升機(jī)載平臺(tái)條件下嚴(yán)酷的振動(dòng)沖擊試驗(yàn)。該結(jié)構(gòu)形式的顯控臺(tái)樣式新穎，具有良好的比剛度和比強(qiáng)度，可為類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。

[1] 段軍, 白振強(qiáng), 路龍龍. 直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)頻綜接收機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)[J]. 電子科技, 2014, 27(6): 93-95, 98.

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杭 燚(1978-)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)工作。

Design and Mechanical Test for Helicopter-borne Display Console

HANG Yi，SUN Fan，SHEN Wen-jun

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

In this paper, a lightweight display console with high stiffness and strength is designed for the helicopter platform. The vibration environment characteristics of helicopter platform are introduced first. Then the composite material display console is designed according to requirements, and the modal analysis is carried out. On the basis of the research, choosing appropriate vibration isolation system and using stiffness method to realize the decoupling of the whole system. Finally, the vibration and shock test for the display console and its installed devices is conducted, and the test is passed successfully. Results show that the design is reasonable and the vibration isolation system chosen is proper, satisfying the requirements of the strict helicopter platform environment. The method can provide a reference for the design and optimization of similar products.

helicopter; display console; vibration

2014-10-23

TN87

A

1008-5300(2015)01-0039-03