韓圓珍

A型火箭彈射座椅模態(tài)分析

韓圓珍

航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003

基于振動分析理論對某型火箭彈射座椅進(jìn)行模態(tài)分析，研究其固有頻率及振型，為座椅設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

彈射座椅；模態(tài)分析

模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)振動特性的一種技術(shù)，通過它可以確定自然頻率、振型和振型參與系數(shù)。進(jìn)行模態(tài)分析可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振或以特定頻率進(jìn)行振動，進(jìn)一步地可以使設(shè)計(jì)師認(rèn)識到不同類型的動力載荷是如何響應(yīng)的并有助于在其他動力分析中估算求解控制參數(shù)。模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動力分析的基礎(chǔ)。

一、火箭彈射座椅簡介

在飛機(jī)正常飛行時(shí)，火箭彈射座椅供飛行員乘坐，并為飛行員提供必要的約束。當(dāng)飛機(jī)發(fā)生危急情況，需要飛行員應(yīng)急離機(jī)時(shí)，火箭彈射座椅能確保飛行員按規(guī)定的程序迅速、安全彈離飛機(jī)，并在座椅著陸(水)后為飛行員提供必需的救援和生存條件。

彈射座椅主要由椅盆、骨架、頭靠傘箱、座式救生包、出艙穩(wěn)定裝置、三級套筒式彈射筒與椅背火箭的組合動力裝置以及座椅系統(tǒng)組成。座椅的系統(tǒng)包括：彈射操縱系統(tǒng)(包括中央燃爆機(jī)構(gòu)和穩(wěn)定傘射傘槍)、分離系統(tǒng)(包括救生傘射傘槍、燃爆機(jī)構(gòu)、程序分離燃爆機(jī)構(gòu)、電子式開傘器、應(yīng)急分離燃爆機(jī)構(gòu))、肩帶操縱系統(tǒng)、限腿帶系統(tǒng)、限臂裝置、程序控制系統(tǒng)、椅盆升降系統(tǒng)、遠(yuǎn)距點(diǎn)火系統(tǒng)等。

二、問題的由來

火箭彈射座椅是飛機(jī)的一個(gè)部件，安裝在座艙內(nèi)，它的振動環(huán)境就是飛機(jī)座艙的振動環(huán)境。在座椅使用過程中，承受著如飛機(jī)發(fā)動機(jī)振動、炮振等振動載荷，在座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免座椅的固有頻率與上述振源頻率相近，否則會導(dǎo)致發(fā)生共振現(xiàn)象，輕則降低乘員的乘坐舒適度，嚴(yán)重情況下會影響飛行員的正常操作，給飛行安全帶來隱患。因此需要對座椅進(jìn)行模態(tài)分析，研究其基本動態(tài)屬性，為座椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及合理避振提供理論依據(jù)。

三、模態(tài)分析理論

目前在振動分析方面主要采用數(shù)值解法，使一些復(fù)雜系統(tǒng)的振動分析問題可以得出比較精確的數(shù)值結(jié)果。首先應(yīng)用有限元法，把復(fù)雜系統(tǒng)離散化為有限個(gè)自由度的離散系統(tǒng)，離散系統(tǒng)無阻尼自由振動微分方程是

(3-1)

其中{x}是描述系統(tǒng)振動形態(tài)的位移向量，n個(gè)自由度系統(tǒng)有n個(gè)位移向量。[k]是系統(tǒng)的剛度矩陣，[m]是系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣。方程(3-1)是一組二階常系數(shù)齊次線性微分方程組，它的通解具有如下形式

{x}={X}eiwt

(3-2)

將方程(3-2)代入方程(3-1)，得到系統(tǒng)振動的特征方程

[k]{X}=ω2[m]{X}

(3-3)

系統(tǒng)固有動力特性分析就是求解廣義特征值問題(3-3)。它的特征值ωi2是系統(tǒng)固有頻率的平方，它的特征向量{ψ}是系統(tǒng)的固有振型，從而得出了系統(tǒng)的固有動力特性。

解方程(3-3)常用逆迭代法，其迭代格式是

(3-4)

將(2-4)式對質(zhì)量矩陣[m]規(guī)一化，即

(3-5)

經(jīng)反復(fù)迭代，(3-5)式向最低階特征向量逼近。

四、模態(tài)分析

(一)有限元模型的建立

在建模中遵循以下原則：

1.座椅主結(jié)構(gòu)的完整性。

2.保證傳力路線不發(fā)生變化。

3.節(jié)點(diǎn)約束應(yīng)和實(shí)際連接形式保持一致。

利用上述建模原則，依據(jù)設(shè)計(jì)圖樣建立有限元模型，具體建模如下：

為保證座椅結(jié)構(gòu)的完整性和傳力路線不發(fā)生變化，在對座椅建模時(shí)，座椅有限元模型主體結(jié)構(gòu)應(yīng)基本保持與座椅結(jié)構(gòu)一致。假設(shè)各連接件能夠保證正常的傳力，因此在建模時(shí)，不同零部件的連接在有限元模型中通過節(jié)點(diǎn)重合或自由度耦合實(shí)現(xiàn)。

由于座椅組成復(fù)雜，在進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算的時(shí)候，根據(jù)計(jì)算對象與目的，需要對座椅進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，使之轉(zhuǎn)換為適宜計(jì)算的有限元模型。針對座椅結(jié)構(gòu)主要做了以下簡化：去掉了對結(jié)構(gòu)影響不大的功能件、裝飾件，只保留了座椅主結(jié)構(gòu)。根據(jù)座椅的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳力路線，座椅主要承載部件為椅盆、骨架、彈射筒和滑動架，椅盆側(cè)板、加強(qiáng)塊簡化為四面體元，椅盆前梁、上梁、下梁簡化為梁元，座椅其他主要傳力路徑上的各構(gòu)件均離散為六面體單元，局部地區(qū)用四面體和五面體單元過渡。這些構(gòu)件包括：骨架、肩帶鎖殼體、上滑動架、下滑動架。電動升降裝置用桿單元模擬。座椅有限元模型包含737098個(gè)結(jié)點(diǎn)、418642個(gè)單元。座椅CATIAV5模型見圖1，有限元計(jì)算模型見圖2。

圖1 A型火箭彈射座椅CAT 圖2 A型火箭彈射座椅有

(二)分析結(jié)果

座椅模態(tài)分析結(jié)果見表1。

表1 座椅模態(tài)分析結(jié)果

五、結(jié)論

通過對A型火箭彈射座椅進(jìn)行模態(tài)分析，掌握了其基本動態(tài)屬性，有利于更進(jìn)一步的座椅動態(tài)響應(yīng)規(guī)律的了解，這一方法可在其他型號座椅中推廣應(yīng)用。

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