CN115758563A - 一种载人飞行器的振动传递优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种载人飞行器的振动传递优化设计方法，包括通过建立新型载人飞行器的动力学特性分析模型，求解飞行器的动力学特征参数，然后根据飞行器的模态传递函数，结合噪声、振动激励源、传递路径等信息，开展飞行器结构振动传递特性分析，并根据分析结果进行飞行器结构优化设计；根据结构优化设计方案，设计不同的隔振措施，达到降低振动激励传递到飞行器重要电气设备和人员驾驶位置处振动响应的目的，综合评估飞行员在振动、噪声环境下的乘坐舒适性，最后验证减振措施的有效性。本发明最终可以极大的提高了新型载人飞行器结构的环境适应性，改善飞行员的使用体验。
Description
技术领域
本发明涉及一种载人飞行器的振动传递优化设计方法，属于新型微型载人飞行器力学环境设计与优化技术领域。
背景技术
本专利针对一种新型的载人飞行器，为了保障飞行器发动机在工作过程中噪声、振动引起的响应不会造成飞行器主要结构的破坏，同时向飞行员提供一个较为舒适的驾乘环境，在飞行器研制过程中，需要抑制新型微载人飞行器在飞行过程中发动机的辐射噪声和由噪声环境引起的振动，同时结合研制过程中的地面试验，开展飞行器关键位置处振动、噪声力学环境参数的测量，开展相关飞行员舒适性评价。由于本飞行器结构承力部件主要由复合材料骨架和外壳薄壁板件组成，其中薄壁外壳极易受到外界激励而产生振动，随着激励源的能量增大，飞行器结构零件疲劳破坏的可能性随着增大，会极大的影响飞行器的飞行安全性。本飞行器与目前所有的载人飞行器的不同在于飞行员的乘坐方式与传统飞行器不一致，该种飞行器发动机位于飞行器的中央位置，飞行员站立在飞行器上，即飞行员所处的空间为开放空间，不存在飞机座舱等密闭空间，经分析，本新型载人飞行器的振动传递路径与传统飞行器有很大差异，飞行员承受的振动主要通过双脚传递至飞行员身体内，同时人站立在飞行器上，噪声源自下由空间传递至人员身体，不存在密闭的飞行舱，人员的减噪主要靠外部措施。故在本新型载人飞行器设计和研制过程中，对振动、噪声环境的研究以及减少对飞行员的伤害成为了必须解决的关键技术。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，基于噪声、振动传递路径分析的结构优化设计方案，提供一种载人飞行器的振动传递优化设计方法，并通过相关地面试验，对优化后的结构形式和最终乘员舒适性进行了评估，验证了方案的可行性。
本发明的技术解决方案是：
本发明公开了一种载人飞行器的振动传递优化设计方法，包括：
对载人飞行器进行模态动力学特性分析，得到动力学特性分析模型；
开展不同工况下载人飞行器地面模态试验，得到模态试验结果；
根据所述模态试验结果对所述动力学特性分析模型进行修正；
根据所述模态试验结果，对所述动力学特性分析模型进行振动传递路径分析，得到模态振动传递函数；
进行不同发动机工况下的载人飞行器点火试验，获得点火试验结果；
根据所述模态振动传递函数和所述点火试验结果，得到自由飞行状态下载人飞行器的结构振动传递函数；
根据所述模态试验结果和所述结构振动传递函数，对载人飞行器进行结构优化，得到结构优化设计方案。
在上述设计方法中，根据得到的结构优化设计方案，对载人飞行器进行结构优化，并开展地面点火和飞行试验，对所述结构优化设计方案进行验证。
在上述设计方法中，所述动力学特性分析模型，具体为：在满载和空载工况下，飞行器的质量、质心和结构连接刚度。
在上述设计方法中，所述模态试验结果，具体为：在油箱满载、空载和载人工况下，飞行器的模态频率和振型。
在上述设计方法中，所述根据所述模态试验结果对所述动力学特性分析模型进行修正，具体方法为：根据所述地面模态试验测量得到的频率和振型，对所述动力学特性分析模型中的结构质量分布进行调整，使质量、质心与试验产品一致，同时根据振型数据对飞行器连接刚度利用有限元仿真模型进行调整，使动力学特性分析模型的前2阶整体振型和频率与试验结果相吻合。
在上述设计方法中，对所述动力学特性分析模型进行振动传递路径分析，得到模态振动传递函数，具体方法为：
对飞行器动力学特性分析模型，在发动机安装框处施加快速正弦扫描激励，激励信号频率为F，量级为G，扫描率为S，输出飞行员站立处、惯组安装处的振动频率响应和发动机安装处的振动激励响应；
根据振动频率响应和振动激励响应，得到振动传递函数，公式为：
其中，ai(ω)为飞行员站立处、惯组安装处的振动频率响应，a0(ω)为发动机安装处的振动激励响应。
在上述设计方法中，F＝20～2000Hz，G＝1～2g，S＝2～4oct/min，其中，F为激励信号频率，G为量级，S为扫描率。
在上述设计方法中，所述进行不同发动机工况下的载人飞行器点火试验，获得点火试验结果，具体方法为：在飞行员站立处、惯组安装处、飞行器主承力结构上布置振动传感器，在距离飞行器中心位置1m、3m、5m半径处的空间布置噪声传感器，在点火试验过程中实时监测振动和噪声数据，得到点火试验结果。
在上述设计方法中，根据所述模态振动传递函数和所述点火试验结果，得到自由飞行状态下载人飞行器的结构振动传递函数，具体方法为：
H＝(H1+H2)/2
其中，H1为模态试验中获得的振动传递函数，H2为飞行器点火试验获得的振动传递函数，H为在自由飞行状态下载人飞行器的结构振动传递函数。
在上述设计方法中，所述结构优化设计方案，包括：在不增加结构质量的情况下提高结构刚度；在发动机安装框处增加减振垫；调整惯组、控制计算机减振器减振效率，确保电气设备对振动环境可以耐受，根据电气设备对振动环境的适应性性摸底情况，在飞行器结构上设备安装处20～2000Hz内的振动响应小于3Grms。
在上述设计方法中，所述不同工况，具体为：载人飞行器在满载、空载、有负重、无负重情况下的工作状态。
本发明与现有技术的有益效果在于：
(1)本发明结合一种新型载人飞行器，设计了基于噪声、振动传递路径分析的结构优化设计方案，具有实用性强，具有工程化的优势；
(2)本发明结合一种载人飞行器的使用需求，设计了一种获取飞行器关键位置处振动、噪声力学环境参数的地面试验方案，并成功实施，得到了不同飞行工况下真实的乘员乘坐关键位置处的振动、噪声原始数据，为后续开展飞行员舒适性评价提供了重要的数据支撑；
(3)本发明针对一种新型的微型载人飞行器，基于其新型承力结构、材料和发动机安装形式，对结构振动和噪声的传递途径进行了辨识和分析，识别出主要的振动传递路径和影响振动传递的关键参数；
(4)本发明针对主要的传递路径和关键参数，从振动传递和噪声辐射的特点着手，采用创新的结构设计和优化方法，对振动和噪声响应进行了抑制，在不影响结构强度的前提下，降低了结构关键位置处的振动响应，提高了飞行员的驾乘体验。
附图说明
图1为本发明的优化设计方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
本发明公开了一种载人飞行器的振动传递优化设计方法，包括：
步骤一、对载人飞行器进行模态动力学特性分析，得到动力学特性分析模型；针对载人飞行器结构三维模型，利用ABAQUS软件，进行动力学特性仿真模型建模，根据飞行器实际状态，设定各部件质量、质心，使最终飞行器质量与结构三维模型一致；
步骤二、利用步骤一中的动力学特性仿真模型，进行新型载人飞行器模态分析，获得其油箱满载、空载下的整体模态振型和频率，并输入计算结果；开展载人飞行器在满载、空载、有负重、无负重情况下等不同工况下载人飞行器地面模态试验，得到模态试验结果。
步骤三、开展原理样机地面模态试验，使飞行器悬挂处于自由边界，获得自由状态下飞行器在油箱满载、空载和载人工况下，飞行器的模态频率和振型；
步骤四、根据模态试验结果对动力学特性分析模型进行修正，具体方法为：根据步骤一建立的动力学特性模型和步骤二中计算结果，结合步骤三中地面试验测量得到的频率和振型，对仿真模型中的结构质量分布进行调整，使质量、质心与试验产品尽量一致，同时根据振型数据对飞行器连接刚度利用有限元仿真模型进行调整，最终使仿真分析模型的前2阶整体振型和频率与试验吻合；
动力学特性分析模型，具体为：在满载和空载工况下，飞行器的质量、质心和结构连接刚度。
步骤五、根据模态试验结果，对动力学特性分析模型进行振动传递路径分析，得到模态振动传递函数，具体方法为：
对飞行器动力学特性分析模型，在发动机安装框处施加快速正弦扫描激励，激励信号频率为F，量级为G，扫描率为S，输出飞行员站立处、惯组安装处的振动频率响应和发动机安装处的振动激励响应；F＝20～2000Hz，G＝1～2g，S＝2～4oct/min。利用ABAQUS显示动力学分析，输出飞行员脚踏位置处、惯组安装位置处、控制一体机安装处的振动响应。
根据振动频率响应和振动激励响应，得到振动传递函数，公式为：
其中，ai(ω)为飞行员站立处、惯组安装处的振动频率响应，a0(ω)为发动机安装处的振动激励响应。
模态试验结果，具体为：在油箱满载、空载和载人工况下，飞行器的模态频率和振型。
步骤六、进行不同发动机工况下的载人飞行器点火试验，获得点火试验结果，具体方法为：在飞行员脚踏处、惯组安装处、飞行器主承力结构上布置振动传感器，在距离飞行器中心位置1m、3m、5m半径处的空间布置噪声传感器，在点火试验过程中实时监测振动和噪声数据，记录时域测量数据，得到点火试验结果。
步骤七、根据模态振动传递函数和点火试验结果，分析得到自由飞行状态下载人飞行器的结构振动传递函数，具体方法为：在地面试验时，测量了发动机安装框处的振动响应，将此振动响应可以认为是飞行器在实际飞行过程中发动机产生的振动，即振动输入。在点火试验中测量了飞行员脚踏处、惯组安装处、控制一体机、结构关键连接位置处的振动响应，把此振动响应可以认为是飞行器在受到振动激励后的振动响应，输入和输入按步骤五进行处理即得到不同位置处的振动传递函数，可以看出在不同位置处，在不同的频率下的响应规律。传递函数公式为：
H＝(H1+H2)/2
其中，H1为模态试验中获得的振动传递函数，H2为飞行器点火试验获得的振动传递函数，H为在自由飞行状态下载人飞行器的结构振动传递函数。
步骤八、根据模态试验结果和所结构振动传递函数，对载人飞行器进行结构优化，得到结构优化设计方案，具体为：将步骤五和步骤七得到的传递函数进行对比，可以看出仿真分析模型和实际产品之间对振动响应的差异。同时对实测的不同位置处的振动响应进行频谱分析，对于人体来说，振动响应不应过大，对于惯组等电气设备来说，安装位置处的振动响应不能大于电气设备、元器件的耐受极限，对于结构来说，在20～500Hz内的振动响应不应过大，振动响应小于3Grms。同时不能有明显的异常放大。结合以上的分析，对结构提出以下几点优化方案：1、在不增加结构质量的情况下提高结构刚度；2、在发动机安装框处增加减振垫；3、调整惯组、控制计算机减振器减振效率，确保电气设备对振动环境可以耐受。
步骤九、根据得到的结构优化设计方案，对载人飞行器进行结构优化，并开展地面点火和飞行试验，对所述结构优化设计方案进行验证，具体方法为：针对开展结构优化后的新型载人飞行器，开展地面点火飞行试验，试验工况包括油箱满载和空载，是否载人等四个工况，发动机转速自怠速至最高转速，振动传感器位置包括发动机安装框、飞行员站立处、惯组安装处、控制计算机安装处、油箱安装处等位置，噪声传感器安装位置处主要包括飞行员脚踏位置上部、飞行员头部位置处、飞行器周围1m、3m、5m、10m、30m、50m，测量飞行试验过程中的振动、噪声环境数据。对测量结果进行频谱分析，验证方案设计可行性。
实施例：
如图1所示，首先结合结构设计，开展飞行器有限元仿真建模，开展载人飞行器的模态动力学仿真分析。结合总体设计方案，建立新型载人飞行器的有限元仿真模型，其中飞行器的主体框架采用复合材料，并根据材料铺层方向设置结构刚度，在飞行器质量上，结合飞行器特定使用工况，分别设定油箱满载、空载两种飞行器载荷情况，同时考虑飞行器需要载人，在模态仿真分析时，建立模拟飞行器负重的载荷模型，模拟其在飞行器上的结构形式，开展飞行器动力学特性分析，获得飞行器在满载、空载下的模态振型及频率。对飞行器动力学特性仿真模型，在发动机安装框处施加快速正弦扫描激励，具体条件可以为频率范围为20～2000Hz，量级1g，扫描率为4oct/min，利用ABAQUS显示动力学分析，输出飞行员脚踏位置处、惯组安装位置处、控制一体机安装处的振动响应。在此，在发动机安装框处的输入加速度为a0，在人脚踩位置、惯组安装处的加速度响应为ai，振动传递函数则为
即定义传递函数为响应与输入的比值。
其次开展飞行器地面试验，获得飞行器模态参数和噪声、振动传递函数。开展飞行器噪声、振动激励源的分析，对噪声、振动源及传递路径进行仿真分析。在地面试验时，测量了发动机安装框处的振动响应，将此振动响应可以认为是飞行器在实际飞行过程中发动机产生的振动，即振动输入。在点火试验中测量了飞行员站立处、惯组安装处、控制一体机、结构关键连接位置处的振动响应，把此振动响应可以认为是飞行器在受到振动激励后的振动响应，输入和输入进行处理即得到不同位置处的振动传递函数，可以看出在不同位置处，在不同的频率下的响应规律。
结合仿真分析和地面试验结果，开展振动传递路径分析和结构优化设计。对于人体来说，主要的敏感振动频率应为0～80Hz，对于惯组、控制计算机等电气产品来说，主要的敏感振动频率为高频，同时不应在70～90Hz范围内，即惯组减振器敏感频率范围内有结构响应放大。同时对实测的不同位置处的振动响应进行频谱分析，对于人体来说，振动响应不应过大，对于惯组等电气设备来说，安装位置处的振动响应不能大于电气设备、元器件的耐受极限，对于结构来说，在20～500Hz内的振动响应不应过大，同时不能有明显的异常放大。针对传递路径与传递特性，通过降低激励源被动端的结构载荷或者衰减被动端到响应点的传递特性，来控制响应点的振动水平。具体的结构优化改进方案包括在发动机安装结构上增加隔振垫和吸能组件，首先降低激励源传递到结构上的振动水平。其次，在传递路径上，在不影响结构刚度和强度的基础上，在主传递路径上增加减振措施，从而降低传递到飞行器重要位置上的振动水平，最后在飞行员乘坐位置布置减振装置，尽大可能的降低飞行员对振动的感受。
最终开展相关地面试验，对优化后的结构减振、减噪性能进行验证。针对结构优化后的载人飞行器，开展相关的地面点火和飞行试验，针对开展结构优化后的新型载人飞行器，开展地面点火飞行试验，试验工况包括油箱满载和空载，是否载人等四个工况，发动机转速自怠速至最高转速，振动传感器位置包括发动机安装框、飞行员站立处、惯组安装处、控制计算机安装处、油箱安装处等位置，噪声传感器安装位置处主要包括飞行员脚踏位置上部、飞行员头部位置处、飞行器周围1m、3m、5m、10m、30m、50m，对试验过程中的振动、噪声力学环境参数进行实时测量，获得飞行器在不同飞行工况下，飞行器结构、关键位置处的振动响应和人站姿情况下人耳处的噪声分贝。从试验结果分析，通过开展结构的减振优化，载人飞行器结构上重要的承力位置振动响应下降10％以上，飞行员乘坐位置处的振动响应下降20％以上，结合ISO 2631标准，对振动环境下人员的舒适性开展了评估，结合评估结果和实际飞行员的试飞体验，飞行员没有明显的不舒适感，验证了目前方案的可行性。
以上，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (11)
1.一种载人飞行器的振动传递优化设计方法，其特征在于，包括：
对载人飞行器进行模态动力学特性分析，得到动力学特性分析模型；
开展不同工况下载人飞行器地面模态试验，得到模态试验结果；
根据所述模态试验结果对所述动力学特性分析模型进行修正；
根据所述模态试验结果，对所述动力学特性分析模型进行振动传递路径分析，得到模态振动传递函数；
进行不同发动机工况下的载人飞行器点火试验，获得点火试验结果；
根据所述模态振动传递函数和所述点火试验结果，得到自由飞行状态下载人飞行器的结构振动传递函数；
根据所述模态试验结果和所述结构振动传递函数，对载人飞行器进行结构优化，得到结构优化设计方案。
针对结构优化后的载人飞行器，开展地面点火和飞行试验，对所述结构优化设计方案进行验证。
2.根据权利要求1所述的一种载人飞行器的振动传递优化设计方法，其特征在于，还包括：根据得到的结构优化设计方案，对载人飞行器进行结构优化，并开展地面点火和飞行试验，对所述结构优化设计方案进行验证。
3.根据权利要求1所述的一种载人飞行器的振动传递优化设计方法，其特征在于：所述动力学特性分析模型，具体为：在满载和空载工况下，飞行器的质量、质心和结构连接刚度。
4.根据权利要求1所述的一种载人飞行器的振动传递优化设计方法，其特征在于：所述模态试验结果，具体为：在油箱满载、空载和载人工况下，飞行器的模态频率和振型。
5.根据权利要求1所述的一种载人飞行器的振动传递优化设计方法，其特征在于：所述根据所述模态试验结果对所述动力学特性分析模型进行修正，具体方法为：根据所述地面模态试验测量得到的频率和振型，对所述动力学特性分析模型中的结构质量分布进行调整，使质量、质心与试验产品一致，同时根据振型数据对飞行器连接刚度利用有限元仿真模型进行调整，使动力学特性分析模型的前2阶整体振型和频率与试验结果相吻合。
6.根据权利要求1所述的一种载人飞行器的振动传递优化设计方法，其特征在于：对所述动力学特性分析模型进行振动传递路径分析，得到模态振动传递函数，具体方法为：
对飞行器动力学特性分析模型，在发动机安装框处施加快速正弦扫描激励，激励信号频率为F，量级为G，扫描率为S，输出飞行员站立处、惯组安装处的振动频率响应和发动机安装处的振动激励响应；
根据振动频率响应和振动激励响应，得到振动传递函数，公式为：
其中，ai(ω)为飞行员站立处、惯组安装处的振动频率响应，a0(ω)为发动机安装处的振动激励响应。
7.根据权利要求5所述的一种载人飞行器的振动传递优化设计方法，其特征在于：F＝20～2000Hz，G＝1～2g，S＝2～4oct/min，其中，F为激励信号频率，G为量级，S为扫描率。
8.根据权利要求1所述的一种载人飞行器的振动传递优化设计方法，其特征在于：所述进行不同发动机工况下的载人飞行器点火试验，获得点火试验结果，具体方法为：在飞行员站立处、惯组安装处、飞行器主承力结构上布置振动传感器，在距离飞行器中心位置1m、3m、5m半径处的空间布置噪声传感器，在点火试验过程中实时监测振动和噪声数据，得到点火试验结果。
9.根据权利要求1所述的一种载人飞行器的振动传递优化设计方法，其特征在于：根据所述模态振动传递函数和所述点火试验结果，得到自由飞行状态下载人飞行器的结构振动传递函数，具体方法为：
H＝(H1+H2)/2
其中，H1为模态试验中获得的振动传递函数，H2为飞行器点火试验获得的振动传递函数，H为在自由飞行状态下载人飞行器的结构振动传递函数。
10.根据权利要求1所述的一种载人飞行器的振动传递优化设计方法，其特征在于：所述结构优化设计方案，包括：在不增加结构质量的情况下提高结构刚度；在发动机安装框处增加减振垫；调整惯组、控制计算机减振器减振效率，确保电气设备对振动环境可以耐受，根据电气设备对振动环境的适应性性摸底情况，在飞行器结构上设备安装处20～2000Hz内的振动响应小于3Grms。
11.根据权利要求1所述的一种载人飞行器的振动传递优化设计方法，其特征在于：所述不同工况，具体为：载人飞行器在满载、空载、有负重、无负重情况下的工作状态。
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|---|---|---|---|---|
| CN116050229A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-05-02 | 湖南云箭科技有限公司 | 机载外挂物疲劳仿真中有限元模型的优化方法及系统 |
| CN116738589A (zh) * | 2023-03-20 | 2023-09-12 | 北京航空航天大学 | 适用于非连续承力结构系统的振动能量传递分析方法 |
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| CN116738589B (zh) * | 2023-03-20 | 2024-07-19 | 北京航空航天大学 | 适用于非连续承力结构系统的振动能量传递分析方法 |
| CN116050229A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-05-02 | 湖南云箭科技有限公司 | 机载外挂物疲劳仿真中有限元模型的优化方法及系统 |
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