大型客机风车不平衡振动载荷传递特性研究

白 杰，李 广，王 伟

（中国民航大学 航空工程学院，天津 300300）

0 引言

风车不平衡是一种非正常工作状态，主要由发动机轴支撑失效、风扇叶片丧失及其附带损伤引起，其产生的重大载荷和振动遍及整个机体结构［1］。当发动机处于风车不平衡状态时，发动机振动能够降低飞机结构本身的疲劳强度，振动产生的噪声以宽频脉动压力的形式作用于受影响的结构表面，且驾驶舱振动会影响机组人员做出关闭受损发动机的关键决策，以及在剩余飞行阶段中实施其他操作的能力。

直径变大和转速降低成为现代民用大尺寸高涵道比涡轮风扇发动机的显著特点，同时发动机风扇转子频率随着转速的降低而减小，从而使得发动机振动频率降低到低频区域，与飞机结构本身固有频率接近，可能产生导致共振的中低频段［2］。为了减小发动机风车不平衡状态下产生的振动量，必须对发动机振动进行有效控制，并研究其传递路径。

本文依据空客A320相关尺寸，通过Patran＆Nastran有限元分析软件建立符合飞机结构动力学的“吊架—机翼—机身”有限元模型；利用Patran分析飞机结构固有特性，得到了发动机风车不平衡状态下传播到机翼和机身各隔框的振动载荷情况。

1 建立A320飞机动力学有限元模型

A320飞机具有大展弦比的升力面，可采用梁式结构模拟器结构模型。

1.1 翼面模型的建立

翼面结构主要包括机翼、垂尾和平尾。机翼结构由蒙皮、桁条、翼梁、纵墙和翼肋等5种类型结构件构成。

梁式结构是应用最为广泛的机翼、垂尾和平尾结构形式。在建立机翼有限元模型时，依据机体结构主传力路线进行简化，略去前缘缝翼、后缘襟翼、副翼等部件的影响，只建立机翼前梁、后梁和翼肋梁结构［3］。采用灵敏度分析方法对建立的初始机翼结构模型进行动力特性修正，最终使机翼双梁有限元模型与目标机翼的动力特性基本一致。

1.2 机身结构动力学模型的建立

机身结构主要由隔框和桁梁构成。A320机身属大细长比机身，其普通框和加强框采用环形刚框式结构。从总体受力来看，机身是支持在机翼上的一个管梁，机身的纵向尺寸远大于横向尺寸，一般采用单梁单元模拟机身刚度分布情况，将弯矩和扭矩的分布质量聚缩于各隔框中心处，从而建立集中质点和集中转动惯量式单元。

1.3 建立发动机吊架及连接机翼和机身模型

现代民用大型客机的翼下吊架结构一般是由铝、钛或钢结构构成的盒式梁组成。通过对实际吊架的测量，建立了发动机吊架结构简化模型，其采用超静定空间钢架结构，并简化风扇机匣位置（前挂点）及低压涡轮位置（后挂点）。发动机吊架结构简化模型见图1。

翼肋及机翼前后梁通过MPC多点约束单元刚性连接在有限元机身结构对应隔框上［4］。

采用连接元将吊架上的上连接点、中连接点、侧向连接点以及下连接点模拟销接于第8＃翼肋位置。发动机、起落架、平尾以及垂尾等部件按刚体处理，采用集中质量卡模拟其质量并作用于质心处，并用MPC多点约束单元连接至相应结构上。全机半模结构动力学有限元模型见图2。

图1 发动机吊架结构简化模型

图2 全机半模结构动力学有限元模型

2 机体模态分析

模态是结构的固有特性，结构模态分析的主要作用是：①分析结构的振动特性，避免结构之间相互作用产生共振；②为模态频率分析提供一定的依据。

飞机作为对称结构，当进行全机结构动力特性计算时，将相应的对称与反对称约束施加在有限元模型上［5］，进而得到全机对称模态和反对称模态，全机动力模型的模态频率及振型［6］见表1和图3。

表1 全机动力模型的模态频率

图3 全机半模结构动力模型的主要低阶振型

3 巡航状态风扇不平衡振动载荷特性

某型涡扇发动机空停导致的风车不平衡状态下前、后挂点的实测振动速度谱见图4，该型发动机在最大巡航推力和空中停车这两种工况下前、后挂点的振动谱见表2。可以发现风车不平衡状态下振动量明显小于正常巡航阶段下的振动载荷，并且其振动能量主要集中在发动机低压、高压转子的转频N1、N2及其倍频处。

4 风车不平衡振动载荷传递特性分析

基于在发动机前、后挂点处加载获得的风扇不平衡振动谱，根据结构特性设置对称与反对称条件，采用Nastran模态频率响应分析模块，计算发动机风扇不平衡振动载荷经过吊架、机翼传递到机身各隔框上的载荷特性。这里提取了机身结构各隔框段在倍频下的振动响应分量［7］，如图5所示。

图4 发动机风车不平衡振动速度谱

（1）沿机身前部21号隔框及其他隔框处的横向及垂向振动加速度响应谱具有明显的离散特性。

（2）风车不平衡状态下机身垂向及横向振动能量都集中在N1频率及其倍频下，因在风车状态下燃烧室停止工作，风车转子在气动力作用下继续转动的振动量占主要作用，发动机不平衡振动载荷主要集中在N1频率下，所以机身在N1频率下振动最为显著。

表2 某型发动机两种工况下振动谱

5 总结

（1）通过查询相关资料建立吊架－机翼－机身全机半模结构动力学有限元模型，较准确地反映出大型民用飞机结构动力特性。

（2）估算了民用飞机发动机在风车不平衡状态下，发动机振动载荷经吊架、机翼传到机身各框的振动载荷，为发动机风车不平衡的适航审定要求提供了机身振动载荷谱输入数据。

（3）对比机身各个隔框的振动情况发现，发动机不平衡振动载荷主要集中在N1频率及其倍频下，而N2频率下振动量小。原因在于风车状态下燃烧室停止工作，风扇转子在气动力作用下继续转动，继而风扇不平衡振动起主要作用。

图5 风车不平衡状态下机身各隔框处倍频下的振动响应

［1］程婕.防空停：从维护源头把好关［N］.中国民航报，2012-04-17.

［2］Baklanov V S.Low-frequency vibroisolation mounting of power plants for new-generation airplanes with engines of extra-high bypass ratio［J］.Journal of Sound and Vibration，2007，308（3/5）：709-720.

［3］冯昊成，罗明强，刘虎，等.基于结构件实例库的飞机机体结构快速建模［J］.北京航空航天大学学报，2012，38（5）：584-590.

［4］陈熠，贺尔铭，扈西枝，等.大型客机发动机振动载荷传递特性研究［J］.西北工业大学学报，2012，30（3）：384-389.

［5］苏继龙.飞机左右带外挂对称结构振型局部化研究［J］.沈阳航空工业学院学报，1996，13（4）：10-16.

［6］马爱军，周传月，王旭.Patran和Nastran有限元分析［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［7］刘成玉，孙晓红，马翔.机翼有限元模型振动和颤振特性分析［J］.计算机辅助工程，2006，15（增刊1）：53-55.