基于ANSYS Workbench的直升机尾传动轴模态分析及谐响应分析

巨冬雪

[摘 要]利用ANSYS Workbench软件对直升机尾传动轴进行模态分析，得到前六阶固有频率及对应振型。在此基础上根据产品不平衡量的要求，对尾传动轴进行谐响应分析，得到尾传动轴幅频，并分析求解结果。

[关键词]模态分析 谐响应分析 ANSYS Workbench 直升机尾传动轴

中图分类号：TK 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）01-0056-02

引言

直升机尾传动轴是直升机的重要组成部分。其中，尾传动轴系构成了直升机最长的传动链，负责向尾旋翼传递动力，其工作状态的好坏直接影响直升机性能的优劣。尾传动轴是尾传动轴系的主要部件，其动力学特性对整个尾传动系统的动力学特性影响很大，故对其进行单独的动力学特性研究是重要的且是必要的[1-2]。

1 模态分析

1.1 计算模型

整个尾传动轴由前段组件、膜片联轴节、中段组件以及后段组件四部分组成。实体模型采用UG8.0软件建立，见图1。

前段组件包含的零件及对应材料分别为：

前花键接头：32Cr3MoVA，前段管子：7475，半联轴器：2618A。

中段组件包含的零件及对应的材料分别为：

中段前接头：2618A，中段管子：7475，半联轴器：2618A。

后段组件包含的零件及对应的材料分别为：

圆形联轴节：7075，半联轴器：2618A，后段管子：7475。

膜片联轴节包含的零件及对应的材料为：

盘状膜片：1Cr17Ni7，衬套：1Cr17Ni3A，垫圈：1Cr17Ni7。

1.2 模态求解

将直升机尾传动轴的实体模型导入ANSYS Workbench15.0软件中，进行有限元网格的划分以及边界条件的施加，最后求解得到模态及振型。

尾传动轴采用五处轴承支撑，分析时将轴承考虑为简支，前后段花键接头考虑为固定。在不考虑阻尼且为自由振动的情况下对尾传动轴进行模态计算。由于低阶固有频率对应的振型具有较大能量，即发生共振时幅值较大，故本文只提取直升机尾传动轴的前六阶固有频率。

1.4 模态分析结果

模态振型图中的位移值表述的只是位移的相对量值，它反映结构中各位置在同一阶固有频率上的相对位移，并不是实际振动的振幅值[3]。对直升机尾传动轴的模态求解得到前六阶固有频率分别为：99.4Hz、105.5Hz、133.7Hz、151.2Hz、170.5Hz及187.3Hz。其中第一阶模态对应的振型见图2。

2 谐响应分析

谐响应分析用于确定线性结构在承受随时间按正弦（简谐）规律变化的载荷时的稳态响应，目的是计算出结构在几种频率下的响应并得到一些响应值对频率的曲线，从而预测结构的持续性动力特性，验证设计是否能克服共振、疲劳以及其他受迫振动引起的有害效果。

2.1 谐响应分析基本理论

根据动力学基本方程[4]

2.2 谐响应分析载荷条件

系统做匀速转动时，若旋转系统某端面存在不平衡质量，则其会对机械系统产生简谐的激励力，其公式可表示为：

式中， F为不平衡引起的离心力；A为幅值； m为不平衡质量；e为不平衡质量到回转中心轴的距离；ω为系统转速；为相位角。

直升机尾传动轴每端面的动平衡值不大于50g·mm，这里取最大值。尾传动轴工作转速为4009r/min，即419.8rad/s，代入式（2-3）有：

将不平衡力施加于膜片联轴节、圆形联轴节端面，方向相同。

2.3 谐响应分析

在模态分析的基础上，对直升机尾传动轴采用模态叠加法进行谐响应分析。

根据模态分析结果，给定频率范围为0Hz～200Hz，载荷子步数为50。分析得到直升机尾传动轴各节点的位移分布云图。结合模态分析结果，在此只提取尾轴前段轴面的幅频曲线，见图3。

从图3可知，对于尾轴前段轴面，第一阶固有频率振型对其影响最大，即当频率为99.4Hz时，最大振幅可达0.65mm。在其余前六阶固有频率内，第四节固有频率对前段轴面影响较大，振幅可达0.1mm。其余固有频率对前段轴面影响较小。

3 结语

本文利用UG软件建立直升机尾传动轴实体模型，采用ANSYS Workbench15.0软件进行模态，得到模型前六阶固有频率及对应的振型，在尾传动轴设计过程中，应避免激励频率与固有频率接近的情况，以免发生共振。

在模态分析基础上进行了谐响应分析，在对前段轴面的分析得到，第一阶固有频率对前段轴面的振动影响最大，其次为第四阶固有频率，其他固有频率影响较小，可以忽略。这一分析结果对于直升机尾传动轴的设计工作具有重要的参考价值，也为进一步的动力学分析工作打下基础。

参考文献

[1] 倪德，朱如鹏，靳广虎等. 机动飞行时直升机尾传动轴的横向振动建模与特性[J]. 振动与冲击，2014（7）：215～220

[2] 倪德，朱如鹏，陆凤霞等. 考虑空间机动飞行的直升机尾传动轴建模与临界转速分析[J]. 航空动力学报，2015（6）：1520～1528

[3] 尚晓江，邱峰，赵海峰.ANSYS结构有限元高级分析方法与应用范例[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[4] 买买提明艾尼，陈华磊. ANSYS Workbench 14.0仿真技术与工程实践[M]. 北京：清华大学出版社，2013.