飞机为什么要做全机地面振动试验

王军朋

18世纪中叶，一队士兵在指挥官的口令下，迈着威武雄壮、整齐划一的步伐，通过法国昂热市一座大桥，快走到桥中间时，桥梁突然发生强烈的颤动并且最终断裂坍塌，造成许多官兵和市民落入水中丧生。后经调查，造成这次惨剧的罪魁祸首，正是共振！

在我们的生活中，共振现象并不少见，并且通常具有一定的危害性，因此需要采取科学方法避免共振现象的发生。

飞机在飞行过程中会受到来自于发动机的振动以及气动力的脉动等各种形式的振动载荷，如果结构设计不合理，飞机在这些载荷作用下就会产生明显的振动（共振），当外载荷激励频率与结构固有频率接近时，结构响应会显著增大，除了降低乘员的舒适性，还会恶化机载设备的工作环境，甚至造成结构破坏， 严重时会影响飞机的飞行安全。所以，飞机设计师在设计中一般会遵循频率分离原则，尽量避免飞机的主要频率与主要载荷频率发生耦合。

如何让设计的结构更加合理，避免上述问题呢？飞机设计师在多年工作经验的基础上，总结了一套完整的分析和试验标准：一方面通过分析，确定各种工作条件下飞机的响应，并通过修改结构设计，使得响应控制在安全范围内;另一方面通过试验对分析结果进行验证，确保分析结果合理可信，这里的试验主要是地面振动试验，也称为地面共振试验。

对于飞机地面振动试验而言，激励方法和模态分析方法是试验的重要内容。试验中通常采用激振器（可以理解为电机，只不过将电机的圆周运动转换为直线往复运动）对结构进行激励，使飞机发生微幅振动，同时使用各种传感器测试振动信号，并对振动信号进行分析，从而获得飞机的固有振动特性。飞机结构在不同激励频率下响应不同，通过记录结构响應，利用参数识别的方法即可获得结构的振动特性。

在试验中，飞机支持方式具有重要意义，其合理与否直接关系到试验数据的可靠性，甚至试验的成败。因此支持系统设计是全机地面共振试验的基础性工作，一般情况下包括支持刚度条件、静力平衡条件、稳定性条件、飞机姿态和支持部位等五个方面的因素。在支持系统设计过程中，还需要对飞机在特定支持状态下的刚体运动频率进行估算。大、中型飞机试验时，可采用起落架支持或空气弹簧支持的方式，也可以两种方式结合使用，而对于小型飞机，除以上两种外，也可以使用弹簧绳吊挂的方式。

军机强度规范和民机适航标准要求，地面振动试验是各型号飞机首飞前必须完成的大型地面试验之一，试验数据主要用于对飞机结构力学模型的确认，并通过修正后的分析模型，预计飞机的颤振特性和各种动态的相应，并用于飞机的减震设计和飞行安全性评估等。

在中国，航空工业强度所拥有国内一流的全机地面振动试验系统和试验团队，自主设计了系列齐全的空气弹簧支持装置，研发了一套自主知识产权的专业数据分析软件，已完成了百余架次飞机的地面振动试验。

多年来，航空工业强度所通过试验测试飞机结构的特性，并对分析模型进行验证，给飞机设计人员提供有效数据参考， 有效地保障了国产飞机的安全。