CN110083886A - 一种基于有限元的直升机振动载荷仿真分析方法 - Google Patents

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黄斌根
张威
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Abstract

本发明涉及一种基于有限元的直升机振动载荷仿真分析方法，根据GJB150.16A‑表C.4中的直升机整体振动环境载荷谱和提取方法，提取每一个峰值的峰值加速度；以及提取随机振动载荷谱曲线；将每一个峰值的峰值加速度处理为梯形窄带峰载荷谱曲线，以随机振动载荷谱曲线和梯形窄带峰载荷谱曲线作为MSC.Patran有限元平台的输入载荷，到两种振动环境下的疲劳寿命T1、T2；得到宽带背景下的随机振动和峰值加速度作用下的综合疲劳寿命。本方法可以使有限元仿真更加贴合振动耐久试验，使有限元这个辅助工具更加准确有效。

Description

一种基于有限元的直升机振动载荷仿真分析方法
技术领域
本发明属于直升机振动载荷仿真分析方法，涉及一种基于有限元的直升机振动载荷仿真分析方法，给出直升机特殊振动环境载荷的处理方法，以该环境下直升机零部 件寿命计算方法。
背景技术
直升机振动环境是一种特殊的振动环境，根据GJB150.16A，直升机振动特性是在宽带背景上叠加单频尖峰。尖峰是由螺旋桨等旋转部件或机械产生的正弦波，宽带背 景是低能级的正弦分量和由气动噪声引起的随机振动分量的混合，振动载荷谱如图1 所示。这种振动环境有别于固定翼飞机、导弹、装甲车辆等军用设备，在进行振动环 境仿真时往往只考虑随机振动环境下的动力学问题，旋翼类飞机(直升机)还要考虑 正弦尖峰波产生的影响。
在有限元仿真分析领域，动力学分析已逐渐趋于成熟，随机振动分析以及疲劳分析等在各有限元分析平台均有专门的分析模块。但对于GJB150.16A给出的频域内直 升机振动载荷谱，随机振动加速度功率谱密度可以直接作为输入载荷进行计算，但尖 峰加速却难以直接进行仿真计算。因此需经过某些处理将这种振动信号转化为可以进 行仿真计算的输入载荷。分别对随机振动环境和处理后的峰值加速度振动环境进行仿 真，得到两种环境下的均方根应力和疲劳损伤，根据疲劳累积损伤理论计算实际寿命。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于有限元的直升机振动载荷仿真分析方法，以MSC.Patran有限元软件，主要解决直升机零部件进行有限元动力学分 析中的两个问题：
1、给出一种对直升机振动环境中的峰值加速度处理方法，解决直升机该类载荷在有限元软件中的仿真计算问题；
2、解决正弦峰值加速度振动环境和随机振动环境下，直升机零部件疲劳损伤计算和综合寿命计算问题。
技术方案
一种基于有限元的直升机振动载荷仿真分析方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：根据GJB150.16A-表C.4中的直升机整体振动环境载荷谱和提取方法， 提取每一个峰值加速度；以及提取随机振动载荷谱曲线；
步骤2：采用MSC.Patran有限元平台，将每一个峰值加速度处理为上底宽度为1Hz、下底宽度为1.2Hz的、高为A1-0.001g的梯形峰；
步骤3：输入起始频率f0和终止频率fn，将各个梯形下底边相连，输出得到梯形 窄带峰载荷谱曲线；所述起始频率f0＜f1；所述f1为m个峰值中第一个峰值的频率； 所述终止频率fn大于m个峰值中最后一个fm；
步骤4：以随机振动载荷谱曲线和梯形窄带峰载荷谱曲线作为MSC.Patran有限元平台的输入载荷，到两种振动环境下的疲劳寿命T1、T2；
步骤5：求出两种环境下单位时间内的疲劳损伤D1、D2
步骤6：计算总损伤D＝D1+D2；
步骤7：计算宽带背景下的随机振动和峰值加速度作用下的综合疲劳寿命
所述起始频率f0在5Hz～10Hz中选定。
所述终止频率fn小于100Hz。
有益效果
本发明提出的一种基于有限元的直升机振动载荷仿真分析方法，根据GJB150.16A-表C.4中的直升机整体振动环境载荷谱和提取方法，提取每一个峰值的 峰值加速度；以及提取随机振动载荷谱曲线；将每一个峰值的峰值加速度处理为梯形 窄带峰载荷谱曲线，以随机振动载荷谱曲线和梯形窄带峰载荷谱曲线作为MSC.Patran 有限元平台的输入载荷，到两种振动环境下的疲劳寿命T1、T2；得到宽带背景下的随 机振动和峰值加速度作用下的综合疲劳寿命。
本发明的仿真分析方法，使直升机零部件通过有限元软件平台进行动力学分析时， 处理过的载荷谱可以直接作为输入值，同时给出了两种振动环境下的综合疲劳寿命计算方法，可以使有限元仿真更加贴合振动耐久试验，使有限元这个辅助工具更加准确 有效。
附图说明
图1为直升机频域内振动环境载荷谱(本图源于GJB150.16A)；
图2为提取的峰值加速度振动环境载荷；
图3为峰值本发明的加速度处理为梯形窄带峰示意图；
图4为本发明的直升机尾操纵拉杆支座模型；
图5为本发明确定的随机振动载荷谱曲线；
图6为本发明确定的峰值加速度振动环境载荷；
图7为本发明处理载荷后得到梯形窄带峰载荷谱；
图8为仿真得到的两种振动环境下的应力分布图；
图9为疲劳仿真确定的S-N曲线；
图10为两种振动环境下的寿命分布图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
采用的模型为某型直升机尾操纵拉杆支座，位于直升机机身尾浆影响区，如图4所示。实例中使用模型亦可换做其他模型。
基于有限元分析的直升机振动载荷的仿真分析方法具体步骤如下：
步骤1：根据GJB150.16A-表C.4中的直升机整体振动环境载荷谱和提取方法， 提取随机振动载荷谱曲线，见图5；确定图1载荷谱中各个节点坐标，提取每一个峰 值的峰值加速度，见图6；
步骤2：采用MSC.Patran有限元平台，处理图6中峰值加速度载荷；将每一个峰 值加速度处理为上底宽度为1Hz、下底宽度为1.2Hz的、高为A1-0.001g的梯形峰， 如图7所示；
步骤3：输入起始频率f0和终止频率fn，将各个梯形下底边相连，输出得到梯形 窄带峰载荷谱曲线，如图7所示载荷曲线；
所述起始频率f0＜f1，这里取10Hz，f1为m个峰值中第一个峰值的频率；
所述终止频率fn＞fm，这里取90Hz，fm为m个峰值中最后一个峰值的频率；
得到峰值加速度的载荷谱曲线，就可以在有限元软件平台进行动力学仿真分析。在进行随机响应分析和疲劳分析之前，要进行频率响应分析，相当于动力学试验的扫 频试验，目的是确定输入载荷与响应之间的传递函数。
对于上述过程得到的梯形峰值载荷曲线，频响分析时，扫频步长要小于1Hz，目 的是保证在每个梯形峰值处至少有一个扫频点落入。扫频范围f不宜过大，一般取0～ 100Hz，但须保证f≤f0、f≥fn。
分别用宽带背景随机振动环境载荷谱以及由上述处理得到的峰值加速度载荷谱进 行频响分析、随机响应分析、以及疲劳分析，得到两种振动环境下的疲劳寿命T1、T2， 单位为“s”。计算T1、T2，以及两种振动环境下的综合寿命的过程，如下：
步骤4：以随机振动载荷谱曲线(图5)和梯形窄带峰载荷谱曲线(图7)，作为MSC.Patran有限元平台的输入载荷，进行频响分析，到两种振动环境下的疲劳寿命T1、 T2；
参数设置如表所示：
表1宽带背景随机振动环境频响分析设置
表2峰值加速度振动环境频响分析设置
在频响分析的基础上进行随即响应分析，得到应力分布云图，见图8。
在频响分析的基础上进行疲劳分析，在MSC.Patra中输入材料属性参数，生成的S-N曲线，见图9。仿真得到寿命分布云图，见图10。
步骤5：计算两种振动环境下损伤值：
步骤6：计算总损伤为：D＝D1+D2＝2.0509×10-7/s。
步骤7：计算宽带背景下的随机振动和峰值加速度作用下的综合疲劳寿命

Claims (3)

1.一种基于有限元的直升机振动载荷仿真分析方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：根据GJB150.16A-表C.4中的直升机整体振动环境载荷谱和提取方法，提取每一个峰值加速度；以及提取随机振动载荷谱曲线；
步骤2：采用MSC.Patran有限元平台，将每一个峰值加速度处理为上底宽度为1Hz、下底宽度为1.2Hz的、高为A1-0.001g的梯形峰；
步骤3：输入起始频率f0和终止频率fn，将各个梯形下底边相连，输出得到梯型峰值加速度曲线；所述起始频率f0＜f1；所述f1为m个峰值中第一个峰值的频率；所述终止频率fn大于m个峰值中最后一个峰值的fm；
步骤4：以随机振动载荷谱曲线和梯型峰加速度曲线作为MSC.Patran有限元平台的输入载荷，到两种振动环境下的疲劳寿命T1、T2；
步骤5：求出两种环境下单位时间内的疲劳损伤D1、D2
步骤6：计算总损伤D＝D1+D2；
步骤7：计算宽带背景下的随机振动和峰值加速度作用下的综合疲劳寿命
2.根据权利要求1所述基于有限元的直升机振动载荷仿真分析方法，其特征在于：所述起始频率f0在5Hz～10Hz中选定。
3.根据权利要求1所述基于有限元的直升机振动载荷仿真分析方法，其特征在于：所述终止频率fn小于100Hz。
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