劉 杰，王崇哲，常選倉

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川成都 610036）

引 言

飛機外掛物（如吊艙）通過吊耳和掛架懸掛在機翼下方掛飛，其振動載荷來源于噴氣飛機發(fā)動機噪聲、外掛物表面的氣動湍流、載機的振動以及內(nèi)部裝備和局部氣動力，其中外掛物表面的氣動湍流是外掛物振動的主要來源[1–2]。振動試驗是考察外掛物是否滿足掛飛條件的重要試驗項目，采用正確的試驗方法才能準確模擬外掛物的實際掛飛狀態(tài)，準確模擬外掛物的飛行狀態(tài)才不會對設(shè)備過考核或欠考核[3]，才能對外掛設(shè)備的可靠性和安全性進行準確的評估，避免飛行安全事故。

目前，國內(nèi)針對組合式飛機外掛物掛飛振動試驗主要采用以下2種方法[1]：

1）通過剛性結(jié)構(gòu)支撐架單臺激勵外掛物。此方法是通過龍門式支撐夾具直接將外掛物剛性連接到振動臺上[4]。經(jīng)驗證，該方法不適用，試驗數(shù)據(jù)與實測飛行數(shù)據(jù)相差較大，通常對其環(huán)境適應(yīng)性考核偏嚴；

2）通過繩索將外掛物柔性懸掛在試驗室，兩個振動臺通過剛性軸將激勵傳遞到外掛物首尾端框，模擬氣動湍流對前后兩端的影響。此方法只適用于可自由飛行的外掛物[1]，并不適用于外掛于機體掛飛的設(shè)備。它改變了掛飛型外掛物的實際掛飛裝夾狀態(tài)和固有模態(tài)，艙體響應(yīng)失真。

上述2種常用的工程方法均有各自的優(yōu)點和不足。鑒于目前還沒有一種較為合理的試驗方法，因此有必要對組合式飛機外掛物掛飛振動試驗方法進行研究，探索一種更接近實際飛行狀態(tài)的試驗夾具和方案。

本文以某吊艙（后面稱其為M艙）為對象，對振動試驗夾具和試驗控制進行研究[5–7]。首先通過有限元仿真，計算吊艙在理想剛性夾具下的隨機振動響應(yīng)[8–9]；之后通過優(yōu)化迭代設(shè)計出一種理想的新型“彈性”試驗夾具，計算吊艙在該夾具下的隨機振動響應(yīng)，并通過迭代優(yōu)化篩選出最優(yōu)的控制點[10]；最后對吊艙在兩類夾具下的隨機振動仿真結(jié)果與吊艙在實際掛飛過程中監(jiān)測的響應(yīng)進行對比分析，證明新型彈性夾具科學合理，更加符合實際掛飛情況。

1 隨機振動條件

為監(jiān)測M艙的實際掛飛振動情況，在吊艙內(nèi)部布置了8個振動測點，24個監(jiān)測通道。測點位置均在艙體剛度較好的結(jié)構(gòu)件上，具體如圖1和表1所示。在吊艙隨飛機掛飛2年期間，共采集了29個有效架次中的振動數(shù)據(jù)，振動采樣頻率為10 000 Hz。

圖1 吊艙振動監(jiān)測點分布示意圖

表1 吊艙振動傳感器布置位置

通過分析，29架次的飛行數(shù)據(jù)基本覆蓋飛行包線中的極限狀態(tài)，因此根據(jù)實測數(shù)據(jù)直接歸納振動環(huán)境試驗條件，建立動壓與振動量值之間的預(yù)計模型，計算飛行包線極限狀態(tài)下最大動壓對應(yīng)的振動量值，作為功能振動環(huán)境試驗條件。

分析中發(fā)現(xiàn)吊艙前部（第1，2，3框）比后部（第4，5框）的整體振動量級低，因此劃分為2個區(qū)分別進行數(shù)據(jù)分析和歸納，得到前后區(qū)的2個振動條件。由于仿真軟件中只能輸入一個振動條件，為避免對吊艙欠考核，因此此次仿真中選取了量級更大的整艙后部的振動條件，如圖2所示。

圖2 吊艙隨機振動條件

2 新型彈性夾具設(shè)計

2.1 概述

GJB 150.16A—2009中6.4.5.1對飛機外掛物振動試驗夾具有明確要求，主要包括以下幾點：

1）結(jié)構(gòu)支撐架彎曲振型的模態(tài)頻率至少是外掛1階彎曲頻率的2倍，且不與外掛物的模態(tài)耦合；

2）外掛物、懸掛設(shè)備及結(jié)構(gòu)支撐架的組合剛體模態(tài)頻率應(yīng)在5 Hz和20 Hz之間，且低于外掛物最低彎曲頻率的一半；

3）不要用結(jié)構(gòu)支撐架直接激勵外掛物。

因此新型彈性試驗夾具的剛度需滿足以上要求，同時在試驗方法上要采用振動臺直接激勵吊艙。

2.2 吊艙仿真模型

吊艙艙體整體為梁式結(jié)構(gòu)，方管形截面，通常主要由上下壁板、梁、隔框（第2，3，4框）、端框（第1，5框）、蒙皮、側(cè)口蓋、天線罩等組成，如圖1所示。這些結(jié)構(gòu)都可以簡化為薄壁結(jié)構(gòu)，提取出相應(yīng)的曲面，后續(xù)采用“殼單元”建模，通過調(diào)整不同區(qū)域殼單元的厚度和材料屬性，完成艙體結(jié)構(gòu)仿真模型的建立。

吊艙內(nèi)部設(shè)備種類繁多，外形尺寸及結(jié)構(gòu)特征也不盡相同。由于研究對象是吊艙艙體的響應(yīng)，因此需對內(nèi)部設(shè)備進行合理簡化。經(jīng)研究和仿真驗證，結(jié)合仿真軟件的特點，將設(shè)備簡化為外形、質(zhì)量保持一致的質(zhì)量塊。通過上述簡化方法，M艙的最終有限元模型如圖3所示。

圖3 M艙的最終有限元模型

2.3 吊艙模態(tài)分析

吊艙對外通過前后2個吊耳懸掛，再利用兩側(cè)的止擺器施加壓力約束其擺動實現(xiàn)安裝固定。仿真分析時邊界條件簡化為：吊耳處約束X,Y,Z三個方向的位移，止擺處約束對應(yīng)法向方向的位移，最終計算得到M艙的前4階固有頻率（表2），其中第1次彎曲振型的模態(tài)頻率f1=38.72 Hz。

表2 吊艙模態(tài)計算結(jié)果

2.6 夾具迭代優(yōu)化

為使夾具滿足2.1節(jié)中的相關(guān)要求，需對夾具進行迭代優(yōu)化，優(yōu)化流程如圖6所示。

圖6 夾具優(yōu)化流程圖

2.4 夾具初始建模與模態(tài)分析

本文提出的新型彈性夾具呈“?！毙?，根據(jù)這種設(shè)想的形態(tài)，預(yù)先建立一個初始的夾具模型，如圖4所示。

圖4 夾具初始模型

夾具采用梁單元，對不同位置的梁賦予不同的截面屬性，對其底部施加固定約束，計算夾具的固有模態(tài)，得到夾具初始模型的第1階彎曲模態(tài)頻率f2，判斷f2是否滿足指標f2≥2f1。

2.5 組合體模態(tài)分析

當“?！毙蛫A具的第1階彎曲模態(tài)頻率f2滿足指標f2≥2f1后，按照實際裝機狀態(tài)將吊艙懸掛于夾具上（圖5），然后對夾具與吊艙形成的組合體進行模態(tài)分析，得到組合體的第1階模態(tài)頻率f，判斷f值是否滿足指標5 Hz＜f ＜20 Hz，且f ＜0.5f1。

圖5 組合體振動示意圖

通過多輪優(yōu)化迭代，得到最終的新型彈性夾具及組合體的前4階模態(tài)（表3），其中夾具的第1階彎曲模態(tài)頻率f2= 78.9 Hz，組合體的第1階模態(tài)頻率f=8.5 Hz，均滿足相關(guān)指標要求。

表3 夾具及組合體模態(tài)優(yōu)化結(jié)果

3 隨機振動響應(yīng)計算

以圖2的振動條件對M艙進行Z向隨機振動仿真分析，得到不同類型夾具下吊艙相同位置的響應(yīng)。

3.1 剛性夾具

在2.3節(jié)模態(tài)分析的基礎(chǔ)上對M艙進行隨機振動仿真分析，以模擬傳統(tǒng)試驗方法一（即剛性支撐單臺振動）。艙體上8個測點的響應(yīng)加速度見表4，即表中“剛性夾具”對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

表4 Z 向響應(yīng)加速度值對照表

3.2 新型夾具

采用2.6節(jié)迭代優(yōu)化后得到的最終新型彈性夾具，對M艙進行Z向隨機振動仿真分析。與“剛性支撐單臺振動”的控制方法不同，在新型夾具下采用“兩點激勵”以模擬“雙臺激勵振動”?？刂泣c的選取對振動試驗結(jié)果有顯著影響，通過對控制點的多輪迭代和篩選，得到M艙Z向振動時的最優(yōu)控制點位置，即2框和后吊耳，如圖7所示。

圖7 Z 向隨機振動最優(yōu)控制點

仿真模型中吊艙按照真實的掛載方式懸掛于新型夾具上，最終得到M艙在新型夾具上的隨機振動響應(yīng)。艙體上8個測點的響應(yīng)加速度見表4，即表中“新型夾具”對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果對比分析

4.1 仿真與實測結(jié)果對比

M艙在2種夾具下的Z向隨機振動仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)見表4，其中“剛性夾具”表示“剛性夾具–吊艙”組合的仿真結(jié)果，“新型夾具”表示“新型夾具–吊艙”組合的仿真結(jié)果。各測點的加速度響應(yīng)對比曲線如圖8所示。

圖8 Z 向振動響應(yīng)加速度對比圖

4.2 結(jié)果分析

1）從仿真結(jié)果與實測結(jié)果的對比來看，采用新型夾具得到的吊艙響應(yīng)更加逼近真實掛飛監(jiān)測數(shù)據(jù)，說明新型“彈性”夾具與機翼近似，模擬的振動環(huán)境更加真實；

2）從“新夾具”和“實測值”兩條曲線對比可以看到，曲線后部（點5—點8）的擬合度更好，前部的仿真值大于實測值，這是因為整艙仿真條件采用了量值更大的吊艙后部振動條件；

3）整個吊艙在實際掛飛時，從前端到后端，其外表面的流場大致是從穩(wěn)流到湍流的一個變化過程，即氣流越靠后越紊亂，對吊艙的振動影響就越大。整個吊艙不同區(qū)域的振動量值都是不同的，無論是仿真還是振動試驗，都不可能完美模擬出真實的振動環(huán)境，振動響應(yīng)與真實情況必定存在差異。

5 結(jié)束語

所有飛機外掛物在研制、鑒定、生產(chǎn)等各個階段都需要進行掛飛振動試驗，因此，振動試驗?zāi)芊裾鎸嵞M外掛物的實際掛飛狀態(tài)，使試驗狀態(tài)接近實際工況至關(guān)重要。

本文的研究成果可應(yīng)用于所有機載外掛物，如電子吊艙、翼尖艙、副油箱、導(dǎo)彈等。本文提出的新型振動夾具提升了振動試驗結(jié)果的準確性和可信度，彌補了國內(nèi)現(xiàn)有試驗方法的不足，為行業(yè)內(nèi)振動夾具乃至試驗方法的改進探索出了一種可行方案。