航空發(fā)動機(jī)電子控制器動力學(xué)特性分析

王鑫

（重慶市忠縣中學(xué)高2 0 1 7級1 8班，重慶 4 0 4 3 0 0）

航空發(fā)動機(jī)電子控制器動力學(xué)特性分析

王鑫

（重慶市忠縣中學(xué)高2 0 1 7級1 8班，重慶 4 0 4 3 0 0）

本文介紹了航空發(fā)動機(jī)電子控制器，闡述了其功能，并從模塊板動力學(xué)建模與仿真、模塊板的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析兩個角度入手對電子控制器的力學(xué)特性進(jìn)行了深入的分析。

航空發(fā)動機(jī)；電子控制器；動力學(xué)特性

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得電子技術(shù)水平不斷提高，在此環(huán)境下，種種電子設(shè)備逐漸被應(yīng)用到了以航空為主的各個領(lǐng)域當(dāng)中，并為各領(lǐng)域的發(fā)展帶來了巨大的價值。航空發(fā)動機(jī)電子控制器屬航空領(lǐng)域電子設(shè)備的一種，是航空發(fā)動機(jī)性能與穩(wěn)定性提高的支撐性因素，且在力學(xué)性質(zhì)方面，體現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢。

1 航空發(fā)動機(jī)電子控制器功能

飛信器功能較強(qiáng)，部件較多，電子設(shè)備屬于重要部件之一。飛行器容易產(chǎn)生載荷，根據(jù)其工況的不同，其載荷類型也存在一定的差別：在航空器運(yùn)行過程中，發(fā)動機(jī)工作會產(chǎn)生一定的載荷，以振動載荷為主，而在飛行器著陸時，其所產(chǎn)生的載荷則以沖擊載荷為主。上述載荷會對飛行器各設(shè)備造成一定的影響，如設(shè)備或飛行器本身結(jié)構(gòu)存在問題，很容易在飛行或著陸的過程中，受到更加嚴(yán)重的損害，極大的影響飛行器質(zhì)量及使用壽命。以電子設(shè)備為例，如上述載荷發(fā)生，電子設(shè)備較容易出現(xiàn)失效的問題，或設(shè)備結(jié)構(gòu)被直接破壞，或電子設(shè)備中的元件失靈、參數(shù)不準(zhǔn)確等。

航空發(fā)動機(jī)電子控制器是現(xiàn)代飛行器中電子設(shè)備的主要組成部分，功能在于實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)本身的控制，從性能、穩(wěn)定性等多角度出發(fā)，對其各方面參數(shù)加以控制，是確保飛行器穩(wěn)定飛行與著陸的主要途徑。在過去很長一段時間內(nèi)，行業(yè)內(nèi)通常采用增強(qiáng)控制器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法，避免發(fā)動機(jī)等部件受過大的不良影響，但實(shí)踐證明，上述方法雖在一定程度上能夠達(dá)到保護(hù)結(jié)構(gòu)不被破壞的目的，但容易增加設(shè)備重量，最終導(dǎo)致有效荷載降低，影響飛行器及其各部件的性能。采用相應(yīng)分析方法，對控制器力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，可尋找到最優(yōu)解，進(jìn)而最大程度的提高控制器設(shè)計(jì)合理性，為航空發(fā)動機(jī)性能的有效發(fā)揮提供保證。

2 模塊板動力學(xué)建模與仿真

插件模塊板屬于航空發(fā)動機(jī)電子控制器的主要組成部分，控制器的質(zhì)量及性能如何，在很大程度上取決于模塊板的性能，因此，可從模塊板動力學(xué)建模與仿真的角度入手，實(shí)現(xiàn)對航空發(fā)動機(jī)電子控制其力學(xué)特性的分析。

2.1 有限元法

有限元法是目前應(yīng)用的分析航空發(fā)動機(jī)電子控制器力學(xué)特性的主要方法之一，且具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性特點(diǎn)。該方法的關(guān)鍵在于，將連續(xù)體離散化，使其成為一定數(shù)量的單元在，相鄰的單元件，可以通過節(jié)點(diǎn)相互連接。此時，各個節(jié)點(diǎn)應(yīng)作為未知數(shù)而存在，采用函數(shù)的方法，解出未知數(shù)，便可完成分析。有限元分析方法在航空發(fā)動機(jī)電子控制器動力學(xué)特性分析中的應(yīng)用，需要采用計(jì)算機(jī)作為主要媒介來完成?？稍谟?jì)算機(jī)中裝設(shè)相應(yīng)有限元分析軟件，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)以及信息輸入到軟件之中，便可完成分析。就目前的情況看，A NS Y S、NA S T RA N以及A V A QUS等，都屬于主要的有限元分析軟件。

2.2 建模及仿真

航空發(fā)動機(jī)電子控制器模塊板的建模，包括空白模塊板建模、鎖緊條建模、電氣插頭有限元建模與板載元器件建模四部分內(nèi)容具體如下。

（1）空白模塊板?？瞻啄K板的建模，首先應(yīng)從模塊板的選擇開始：①選取空白模塊板（未安裝元器件）。②測量其質(zhì)量，并將質(zhì)量與冷板質(zhì)量相見，得出P C B質(zhì)量。③計(jì)算出P C B密度。④完成模型建立過程。建立后的空白模塊板有限元模型材料密度與彈性模量如表1。（2）鎖緊條。鑒于鎖緊條結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，應(yīng)將其幾何模型簡化，在去除結(jié)構(gòu)開孔之后，將其重新整合，最終完成建模。建立后的鎖緊條有限元模型材料密度與彈性模量如表2。（3）電氣插頭有限元建模。與鎖緊條相同，電氣插頭結(jié)構(gòu)同樣具有復(fù)雜性的特點(diǎn)，因此同樣應(yīng)在將其簡化之后，實(shí)現(xiàn)對模型的建立。建立后的電氣插頭有限元模型材料密度與彈性模量如表3。（4）板載元器件建模。簡化后，板載元器件有限元模型密度與彈性模量如表4。（5）仿真。利用計(jì)算機(jī)，將相應(yīng)數(shù)據(jù)整理并設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了仿真，最終建立了與實(shí)物各方面參數(shù)等均相符的仿真模型。模型能夠?qū)崿F(xiàn)對模塊板的替代，通過模型分析模塊板的各方面力學(xué)參數(shù)，便能夠由此得出航空發(fā)動機(jī)電子控制器的力學(xué)參數(shù)，并了解其力學(xué)特性。

表1 空白模塊板有限元模型材料密度與彈性模量

表2 鎖緊條有限元模型材料密度與彈性模量

表3 電氣插頭有限元模型材料密度與彈性模量

表4 電氣插頭有限元模型材料密度與彈性模量

3 模塊板的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

采用有限元方法建模，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)對控制器力學(xué)特性的分析提供依據(jù)以及基礎(chǔ)，但從整體上看，其在準(zhǔn)確度方面仍存在一定的缺陷，模板庫試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的目的在于彌補(bǔ)上述缺陷，提高力學(xué)特性分析的準(zhǔn)確度。

3.1 設(shè)備與方法

（1）設(shè)備。模塊板試驗(yàn)設(shè)備以激勵設(shè)備為主，對此，可根據(jù)實(shí)際情況，合理選擇力錘激勵與激振器激勵兩種方法。兩種激烈設(shè)備實(shí)現(xiàn)激勵的方法各不相同，其均具有其各自的優(yōu)勢，以后者為例，其優(yōu)勢在于激勵能量大，因此效果相對較好，但卻具有精確度低的缺陷。為避免上述問題發(fā)生，本次實(shí)驗(yàn)主要以力錘激勵為主，實(shí)現(xiàn)了激勵。（2）方法。①試件安裝。綜合試件安裝標(biāo)準(zhǔn)，完成試件的按照，為實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。②參數(shù)調(diào)整。連接好各儀器，并做好參數(shù)的調(diào)整工作。③考慮實(shí)際實(shí)驗(yàn)需求，定義網(wǎng)絡(luò)。④開始測試并掃描。⑤獲取數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)。

3.2 模態(tài)測試結(jié)果

在模態(tài)測試完成之后，分別得到了空白模塊自由邊界條件、帶鎖緊條的空白模塊自由邊界以及安裝邊界條件、帶鎖緊條與插頭的空白模塊自由及安裝邊界條件。在上述基礎(chǔ)上，得出了成品模塊板的自由邊界條件（表5）。

表5 成品模塊板的自由邊界條件

3.3 模型的修正與改進(jìn)

（1）模型的修正?？稍陟`敏度測試?yán)碚摰那疤嵯?，對模型加以修正。從模塊板P C C B材料參數(shù)的修正入手，同時對其模型參數(shù)以及安裝邊界條件參數(shù)進(jìn)行修正，以提高參數(shù)的準(zhǔn)確度。（2）模型的設(shè)計(jì)。模型的設(shè)計(jì)應(yīng)以電子設(shè)備的抗震設(shè)計(jì)為主，通過對載荷對電子設(shè)備的影響來劃分，可將設(shè)備故障分為以下幾點(diǎn)：第一，設(shè)備結(jié)構(gòu)直接損壞。第二，元件被損壞。第三，元件電氣功能失效。

針對上述問題，可采取以下方法實(shí)現(xiàn)對模型的設(shè)計(jì)：（1）優(yōu)化電子設(shè)備機(jī)箱設(shè)計(jì)，提高機(jī)箱的穩(wěn)定性，確保其在載荷過大的情況下，不會受到過多的影響，以此保護(hù)設(shè)備避免被損壞。（2）優(yōu)化電路板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？蓮奶岣咂淇拐鹦阅苋胧謥韺?shí)現(xiàn)。（3）可從切斷振動傳輸途徑的角度入手，解決問題?？刹捎酶粽鹗侄危档驼駝虞d荷對設(shè)備產(chǎn)生的影響?？筛淖兡K板的安裝位置，將其安裝在箱體之中，并提高箱體的穩(wěn)定性。在箱體上安裝減震器，使振動載荷能夠在減震器的作用下，得以大大減少，這對于航空發(fā)電機(jī)電子控制器抗震性能的提高具有重要價值，同時也能夠避免其在飛行器飛行以及降落的過程中，受過大載荷的影響而出現(xiàn)故障，這對于飛行器基本功能的實(shí)現(xiàn)具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)語

在飛行器飛行或降落的過程中，航空發(fā)電機(jī)電子控制器會受載荷影響而出現(xiàn)被損壞等的故障。可采用有限元方法作為其力學(xué)特性的主要分析方法，建立相應(yīng)的仿真模型，并從測試等角度入手，提高模擬準(zhǔn)確度，以此為基礎(chǔ)，采取合理措施，提高控制器抗震性能，避免其在飛行器不同工況下，受載荷影響，而出現(xiàn)故障。

[1]劉冬冬，張?zhí)旌?，黃向華，陳建. 基于F P G A的航空發(fā)動機(jī)電子控制器設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J]. 測控技術(shù)，2 0 1 2,0 1:5 7~6 1+6 5.

[2]楊洪，李喜發(fā)，張長龍，王繼松. 基于L a b V I E W的航空發(fā)動機(jī)電子控制器檢測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J]. 測控技術(shù)，2 0 1 0,0 7:3 3~3 5+4 5.

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