飛機機翼油箱結(jié)構(gòu)晃振模擬試驗臺設(shè)計

王軒　翁良苗　鄧興培　王震

【摘 要】為研究飛機機翼油箱結(jié)構(gòu)晃振現(xiàn)象及其控制，提出了機翼油箱結(jié)構(gòu)晃振模擬試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，利用有限元方法對其無液體工況進行了模態(tài)分析，以確?；握衲M試驗臺振動頻率與真實機翼接近，能夠模擬真實機翼結(jié)構(gòu)晃振。設(shè)計的晃振模擬試驗臺可滿足飛機機翼油箱結(jié)構(gòu)晃振動力學分析與控制的研究要求。

【關(guān)鍵詞】機翼油箱；晃振；有限元；模態(tài)分析

飛機在飛行過程中，處在一個變動范圍很大的動力學環(huán)境之中。由于氣動紊流、著陸撞擊、武器發(fā)射、發(fā)動機和液壓泵的振動，飛機上的燃油箱受到了箱內(nèi)燃油晃動沖擊等引起的復合振動，油箱既有沿飛機縱向和橫向的低頻晃動，又有沿掛點的高頻振動。油液的低頻晃動可能會發(fā)生與飛行員操縱控制頻率的干擾問題，進而影響飛機的穩(wěn)定性，甚至引起飛機不可控制和飛機損毀。例如道格拉斯A4D、洛克希德P-80、波音KC-135、賽斯納T-37、北美YF-100 等在飛機測試階段都遇到了這一問題[1-2]。油箱結(jié)構(gòu)的高頻振動，再加上油箱內(nèi)油液晃動的影響，能使油箱結(jié)構(gòu)連接件松動，結(jié)構(gòu)局部磨損或產(chǎn)生裂紋而造成泄漏，將影響飛機的飛行安全[3]?？梢姡w機油箱油液低頻晃動和結(jié)構(gòu)高頻振動相復合的晃振現(xiàn)象嚴重影響飛行安全，必須加以抑制[4]。

機翼油箱結(jié)構(gòu)晃振模擬試驗臺可以用于模擬真實機翼結(jié)構(gòu)晃振現(xiàn)象，進而為晃振動力學及其控制研究提供支持。本文首先提出了機翼油箱結(jié)構(gòu)晃振模擬試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并利用有限元方法進行了試驗臺結(jié)構(gòu)無液體工況的模態(tài)分析。該試驗臺振動頻率與真實機翼接近，能夠模擬真實機翼結(jié)構(gòu)晃振，可滿足飛機機翼油箱結(jié)構(gòu)晃振動力學與控制的研究要求。

1 機翼油箱結(jié)構(gòu)晃振模擬試驗臺結(jié)構(gòu)

由于一般平直機翼布局的飛機可以把機翼看成是固定在飛機機身上的懸臂梁，而且機翼面積遠大于翼剖面面積，再者機翼厚度遠小于機翼長度和寬度，懸臂梁結(jié)構(gòu)又可近似為懸臂板結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計使懸臂板結(jié)構(gòu)一階模態(tài)與某小型飛機平直機翼油箱結(jié)構(gòu)（一階頻率為1～2Hz）接近，故該懸臂板結(jié)構(gòu)可以用來模擬該飛機機翼結(jié)構(gòu)。用圓筒形充液容器模擬機翼油箱安裝在懸臂板上，在外激勵下使充液容器產(chǎn)生縱向晃動（圓筒容器長度方向為縱向），即可以模擬真實飛機機翼油箱結(jié)構(gòu)晃振。

圖1 機翼油箱結(jié)構(gòu)晃振模擬試驗臺結(jié)構(gòu)

如圖1所示，懸臂板結(jié)構(gòu)一端固定在支座上，該支座為結(jié)構(gòu)鋼材料。固定夾具材料為鋁合金，通過3組螺栓把懸臂板緊緊夾住。懸臂板材料為鋁合金，圓筒容器材料為有機玻璃。懸臂板和圓筒容器具體尺寸和材料性能如表1所示。

表1 懸臂板和圓筒容器具體尺寸和材料性能

2 試驗臺結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

本文考慮圓筒容器無液體的工況進行模態(tài)分析。利用有限元分析軟件ANSYS進行試驗臺模態(tài)分析，首先建立如圖1所示的試驗臺幾何模型，然后定義試驗臺各部件的材料屬性，接著進行有限元網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 試驗臺結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格劃分

無液體工況下試驗臺前6階固有頻率如表2所示，從表2可以看出，無液體工況試驗臺各階固有頻率與文獻[5]和文獻[6]中的機翼固有頻率相比處于相同的頻率范圍，尤其第1階頻率和振型十分相近，說明設(shè)計的機翼油箱結(jié)構(gòu)晃振模擬試驗臺能夠反映真實機翼的振動特性。

表2 試驗臺前6階固有頻率

3 結(jié)語

真實飛機機翼油箱結(jié)構(gòu)晃振試驗結(jié)構(gòu)復雜、成本高，不適于有關(guān)機翼油箱晃振的科學研究。本文設(shè)計的飛機機翼油箱結(jié)構(gòu)晃振模擬試驗臺結(jié)構(gòu)簡單、成本低，其固有頻率與真實機翼接近，其各階固有振型與真實機翼相對應，能夠反映真實機翼油箱結(jié)構(gòu)的動力學特性，可以滿足飛機機翼油箱結(jié)構(gòu)晃振動力學分析與控制的研究要求。

【參考文獻】

[1]Abzug M.J. Fuel slosh in skewed tanks[J]. Journal of Guidance， Control and Dynamics，19（5）：1172-1178， 1996.

[2]Stengel R.F. Flight dynamics[B]. Princeton University Press， 2004.

[3]葉休乃.飛機油箱的晃動或晃振試驗問題綜述[J]. 航空標準化與質(zhì)量， 1：45-49， 1986.

[4]李寶方.飛機燃油箱晃振試驗[J]. 航空標準化與質(zhì)量， 1：16-20， 1992.

[5]田坤簧， 谷良賢， 王洪偉. 基于Hamilton原理的大展弦比直機翼固有特性分析[J]. 機械強度， 32（5）：854-858， 2010.

[6]蔣余芬， 李志學. 基于SimDesigner的柔性機翼動力學建模與分析[C]//MSC.Software中國用戶論文集， 1-6， 2005.

[責任編輯：曹明明]