基于ANSYS的某直升机尾梁管模态及谐响应分析

刘进进，尹明德，张志龙

（南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016）

0 引言

直升机尾梁管是直升机机身的重要组成部分，它对直升机的平衡以及各种飞行动作的完成起到了决定性的作用，它的振动水平直接影响了直升机尾传动系统的稳定性及直升机整机的振动水平。直升机尾桨在工作时会有周期性的载荷传到尾梁管上，为避免尾梁管产生过度振动，需要使尾梁管的固有频率避开尾桨工作时产生的激振力频率。因此在直升机优化的过程中，需要计算尾梁管的固有频率，并根据载荷进行谐响应分析，以此来判断尾梁管是否满足动力学设计要求，为后续的结构设计提供依据。

1 模态分析

1.1 网格划分

根据尾梁管的结构图，在Pr o／E中建立尾梁管的CAD模型，并导入Hyper mesh中抽取中面和进行网格划分。直升机尾梁管的有限元模型如图1所示。

图1 直升机尾梁管的有限元模型

1.2 边界条件的定义与模态求解

在实际中，结构的动态特性往往受低阶固有频率及相应振型的影响较大，因此了解了结构的前几阶固有频率和振型便能研究结构的动态响应。本文对直升机尾梁管的前6阶模态特性进行了重点分析。

在Hyper mesh中输入相应的物理参数：6061-T6铝弹性模量为68.9 GPa，泊松比为0.33，密度为2 705 kg／m3，厚度为2 mm。并在尾梁管的安装处周向施加位移约束。

将有限元模型导入ANSYS中，在假设无阻尼和自由振动的情况下运用ANSYS对直升机尾梁管进行固有频率和振型的有限元求解。图2为直升机尾梁管前6阶模态振型。

1.3 模态分析结果

模态分析结果的位移值是一个相对的量值（位移相对值），它表征各点在某一阶固有频率上振动量的相对比值，反映该固有频率上振动的传递情况，并不反映实际振动的数值。模态分析的实质是为了求解具有有限个自由度无外载荷和无阻尼状态下的运动方程的特征向量（振型）和特征值（频率），以避免外界激励频率和系统本身固有频率相等时引起的共振。对直升机尾梁管的前6阶固有频率和振型的描述见表1。

从图2中可以看出，直升机尾梁管尾端（即带有尾部导板一端）的位移较大。从表1中可以看出，直升机尾梁管的前6阶固有频率均较低，并且从第3阶起都是耦合的模态。

2 谐响应分析

谐响应分析是为了求解结构在承受随时间按正弦规律变化的载荷时的稳态响应，分析的目的是计算结构在一个频率范围内的振动情况，并得到其振动的幅值曲线。由于直升机尾梁管工作时长期受周期性载荷的作用，故对尾梁管仅仅进行模态分析的研究是不够的。为确定其关键部位的响应，很有必要对尾梁管进行谐响应分析。

在模态分析的基础上，在ANSYS中对直升机尾梁管采用完全法进行谐响应分析，响应分析位移解的输出格式选择为幅值和相位角的输出形式。由于直升机尾桨承受复杂的动态和静态耦合载荷，根据力学等效原理，可以将尾桨毂的受力等效到尾梁管的尾部任一点上。根据相关数据，计算得该直升机尾梁管在某一飞行状态下的等效受力情况，见表2。

图2 直升机尾梁管前6阶模态振型

表1 直升机尾梁管的固有频率及振型描述

由于直升机尾梁管受静态载荷和动态载荷，故在谐响应分析之前先对静态量进行静力分析（这里我们不做讨论），然后再对动态量进行谐响应分析。求解条件为：在尾梁管节点125 803处加载表2中的载荷动态量并打开初应力效应开关，求解频段设置为0 Hz～200 Hz，载荷子步数为50步。对某飞行状态下直升机尾梁管进行谐响应分析，得到激振频率为0 Hz～200 Hz时尾梁管上的各节点的位移响应曲线，并结合模态振型在尾梁管上找出频率响应较大的节点，输出其位移-频率的响应曲线。其中，在不考虑尾部导板位移的情况下，节点87 974处沿虚拟X、Y、Z轴的位移响应较大，导出其位移-频率响应的数值并导入OriginPro软件中绘出位移-频率曲线，如图3所示。

表2 直升机尾梁管在某一飞行状态下的等效受力

图3 节点87 974沿X、Y、Z方向位移随频率变化的曲线

从图3可以得出以下结论：直升机尾梁管的低阶固有振型要比高阶固有振型对其振动影响大，其固有频率越低，对结构的振动影响就越大，因而尾梁管的低阶振型对其动态特性起决定作用，因此要避免外界载荷频率过低对尾梁管造成破坏；尾梁管沿X、Y、Z向产生的较大响应均在尾梁管固有频率32.324 Hz、46.181 Hz和78.888 Hz处，而在其余固有频率处振动的幅值均较小，其中尾梁管沿X向在32.324 Hz处达到最大振幅3.254×10-5m，沿Y向在46.181 Hz处达到最大振幅1.152×10-4m，沿Z向在32.324 Hz处达到最大振幅1.011×10-3m；尾梁管节点87 974的X向响应比Y向小一个数量级，这与X向的刚度大于Y向刚度有关，而Y向的响应比Z向的响应也小一个数量级，这与Z向的初始应力有关；从图3（a）中曲线的数值来看，尾梁管在工作时X向的响应可以在不发生共振的情况下忽略。

3 结论

本文利用Pro／E软件对直升机尾梁管进行了建模，利用Hyper mesh对其进行了网格的划分，并利用ANSYS软件对其进行了模态及谐响应分析。通过模态分析得到了尾梁管的前6阶固有频率及其相对应的振动模态；通过谐响应分析得到了直升机在某飞行模式下尾梁管在频率0 Hz～200 Hz激励下的最大响应。对尾梁管的模态及谐响应分析结果表明：尾传动系统的工作频率越高，对尾梁管的振动影响越小。这一分析结果对直升机尾传动系统的减振工作具有重要的参考价值，为进一步研究其振动特性提供了基础和依据。

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