A型火箭弹射座椅模态分析

2017-09-03韩圆珍

山西青年 2017年16期

关键词：传力火箭弹A型

韩圆珍

A型火箭弹射座椅模态分析

韩圆珍

航宇救生装备有限公司，湖北襄阳 441003

基于振动分析理论对某型火箭弹射座椅进行模态分析，研究其固有频率及振型，为座椅设计提供技术支持。

弹射座椅；模态分析

模态分析是用来确定结构振动特性的一种技术，通过它可以确定自然频率、振型和振型参与系数。进行模态分析可以使结构设计避免共振或以特定频率进行振动，进一步地可以使设计师认识到不同类型的动力载荷是如何响应的并有助于在其他动力分析中估算求解控制参数。模态分析是结构动力分析的基础。

一、火箭弹射座椅简介

在飞机正常飞行时，火箭弹射座椅供飞行员乘坐，并为飞行员提供必要的约束。当飞机发生危急情况，需要飞行员应急离机时，火箭弹射座椅能确保飞行员按规定的程序迅速、安全弹离飞机，并在座椅着陆(水)后为飞行员提供必需的救援和生存条件。

弹射座椅主要由椅盆、骨架、头靠伞箱、座式救生包、出舱稳定装置、三级套筒式弹射筒与椅背火箭的组合动力装置以及座椅系统组成。座椅的系统包括：弹射操纵系统(包括中央燃爆机构和稳定伞射伞枪)、分离系统(包括救生伞射伞枪、燃爆机构、程序分离燃爆机构、电子式开伞器、应急分离燃爆机构)、肩带操纵系统、限腿带系统、限臂装置、程序控制系统、椅盆升降系统、远距点火系统等。

二、问题的由来

火箭弹射座椅是飞机的一个部件，安装在座舱内，它的振动环境就是飞机座舱的振动环境。在座椅使用过程中，承受着如飞机发动机振动、炮振等振动载荷，在座椅结构设计时，应避免座椅的固有频率与上述振源频率相近，否则会导致发生共振现象，轻则降低乘员的乘坐舒适度，严重情况下会影响飞行员的正常操作，给飞行安全带来隐患。因此需要对座椅进行模态分析，研究其基本动态属性，为座椅的结构设计及合理避振提供理论依据。

三、模态分析理论

目前在振动分析方面主要采用数值解法，使一些复杂系统的振动分析问题可以得出比较精确的数值结果。首先应用有限元法，把复杂系统离散化为有限个自由度的离散系统，离散系统无阻尼自由振动微分方程是

(3-1)

其中{x}是描述系统振动形态的位移向量，n个自由度系统有n个位移向量。[k]是系统的刚度矩阵，[m]是系统的质量矩阵。方程(3-1)是一组二阶常系数齐次线性微分方程组，它的通解具有如下形式

{x}={X}eiwt

(3-2)

将方程(3-2)代入方程(3-1)，得到系统振动的特征方程

[k]{X}=ω2[m]{X}

(3-3)

系统固有动力特性分析就是求解广义特征值问题(3-3)。它的特征值ωi2是系统固有频率的平方，它的特征向量{ψ}是系统的固有振型，从而得出了系统的固有动力特性。

解方程(3-3)常用逆迭代法，其迭代格式是

(3-4)

将(2-4)式对质量矩阵[m]规一化，即

(3-5)

经反复迭代，(3-5)式向最低阶特征向量逼近。

四、模态分析

(一)有限元模型的建立

在建模中遵循以下原则：

1.座椅主结构的完整性。

2.保证传力路线不发生变化。

3.节点约束应和实际连接形式保持一致。

利用上述建模原则，依据设计图样建立有限元模型，具体建模如下：

为保证座椅结构的完整性和传力路线不发生变化，在对座椅建模时，座椅有限元模型主体结构应基本保持与座椅结构一致。假设各连接件能够保证正常的传力，因此在建模时，不同零部件的连接在有限元模型中通过节点重合或自由度耦合实现。

由于座椅组成复杂，在进行数值仿真计算的时候，根据计算对象与目的，需要对座椅进行适当的简化，使之转换为适宜计算的有限元模型。针对座椅结构主要做了以下简化：去掉了对结构影响不大的功能件、装饰件，只保留了座椅主结构。根据座椅的结构特点和传力路线，座椅主要承载部件为椅盆、骨架、弹射筒和滑动架，椅盆侧板、加强块简化为四面体元，椅盆前梁、上梁、下梁简化为梁元，座椅其他主要传力路径上的各构件均离散为六面体单元，局部地区用四面体和五面体单元过渡。这些构件包括：骨架、肩带锁壳体、上滑动架、下滑动架。电动升降装置用杆单元模拟。座椅有限元模型包含737098个结点、418642个单元。座椅CATIAV5模型见图1，有限元计算模型见图2。