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直升机动力学特性计算分析 |
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作者：李五洲 秦瑞芬 |
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1 结构简介
某直升机由机头、机身和尾段三部分组成，其中尾段包含尾梁、斜梁、平尾等。机头与机身、机身与尾段通过接头、铆钉、螺栓相连接。
2 有限元建摸
全机动力学有限元模型的建立，包括全机结构的刚度模拟和全机结构质量的分配。
首先根据某直升机的全机结构设计图，建立了有限元刚度模型。此模型按机体的主要传力路线，运用MSC.NASTRAN提供的丰富单元库建立，较真实地模拟全机的刚度分布。
在结构刚度模型建模中，采用壳单元（shell元）模拟框、梁、地板、蒙皮、壁板和加强肋等部位的面板结构；用杆单元（rod元）模拟各框、梁、肋的突缘和翻边；在左右起落架上接头局部、4440侧框、4790侧框、平尾前管梁等部位采用了梁单元（beam元）模拟；考虑到有限元结构过度的需要，模型中还应用了少量的三角形单元（ctria3）。
机身结构中的连接（螺栓连接、铆钉连接等）大部分采用了常用的节点缝合，有部分连接：平尾与斜梁、尾梁与斜梁等，采用了刚体单元（RBE2）连接；旋翼和尾桨与机体的连接采用刚体元（RBE2）约束3个位移方向的自由度。
在有限元质量模型建模中，主要采用集中质量模型分配全机的质量，将集中质量（conm2）分配在框的外圈节点上，这样的质量分配可以避免太多的局部模态出现。
质量分配的具体方法是：首先选出要分配的质量点，根据各质量点的质量和X、Y、Z坐标按杠杆原理将其等效到各个框上，同样再按杠杆原理将其分配到各框外圈节点上。模型中质量较大的部件则按实际情况分配到其重心附近的节点上。这样按杠杆原理分配质量后，全机有限元质量模型的重心(X、Y、Z)坐标与实际结构的重心差异不大，能满足工程计算精度的要求。
在处理大质量块时，采用在其重心位置设置节点，在节点上放置等效的集中质量和转动惯量，节点与机体结构用刚体元（RBE2）连接。旋翼、主减、尾桨、尾减均用集中质量模型简化处理。
为了提高有限元模型计算全机固有频率的准确性，在对机体建模时，除了对桁条、框、蒙皮等主要承力结构进行细化建模外，还须考虑到部分非承力件，它们对结构强度无什么影响，但提供一定的刚度和惯量，对动力学特性有较显著的影响。因此，在分析模型中，下述结构必须予以准确的简化和处理：
a.带有开口和冗余度的金属或复合材料构造的复杂机身结构。
b.困难部件如次要结构、罩、整流装置、门、窗、齿轮箱、附件、设备、乘员、燃料、武器、外挂以及起落架。
c.主减速器架、减速器和主轴，以及隔振装置。
完成刚度和质量建模的全机动力学模型如图1所示，表1给出全机的有限元模型信息。
图1 全机动力学模型
表1 某直升机全机动力学有限元模型信息
 3 全机固有频率分析
在全机动力学模型完成后，对该机的全机固有频率进行了分析，分析中采用求解无阻尼自由振动的实特征值求解序列(103)。考虑分析需要，计算了自由一自由状态下30Hz以内的固有频率，求解方法为Lanczos，这确保了频率不会遗失。
表2列出了全机30Hz内主要模态计算结果。图2～图8给出各模态振型图。
表2 某直升机的全机振频振型计算结果
 
图2 侧向一阶
图3 垂向一阶
(end)
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(5/21/2012) |
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