直升机操纵台振动异常解决方案

黄玉平 陈 浩

（中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333000）

0 引言

由于直升机构型的特殊性，因此振动问题是伴随直升机的永恒话题[1]。过度振动会降低结构的可靠性，缩短它的使用寿命，从而影响飞行安全。此外，过度振动还会恶化仪表设备的使用环境，影响设备的使用效能，并增加乘员的工作负荷。因此，振动水平影响了直升机的性能、可靠性、舒适性以及安全性等多项指标，是决定直升机品质的关键因素之一。

对直升机平台来说，其结构的振动水平是由振源特性和结构安装动力特性所决定的。直升机上的振源主要是来自主旋翼的一阶通过频率，而结构安装动力特性则与结构的几何尺寸、材料以及安装方式等密切相关。当振源的激振频率与结构安装的固有频率接近时，就会导致结构产生较大的振动，甚至会出现共振的现象。

该文针对某型机操纵台存在振动偏大的问题，基于有限元软件NASTRAN[2]对其装机动特性进行固有特性计算，并通过装机动特性试验的综合计算结果与试验数据，给出了操纵台振动偏大的原因。在该基础上，对操纵台进行有针对性的结构改进，通过对改进方案进行动特性计算，并根据最小增重等原则，优选出最终的改进方案。通过动特性试验和试飞验证，表明该方案较好地解决了操纵台振动偏大的问题。该研究对解决直升机振动问题具有较高的参考价值。

1 初始状态操纵台动特性研究

1.1 结构动特性分析理论

在工程中，对于具有连续分布质量刚度和阻尼的实际结构，可以根据精度需要并利用有限元的方法，将其简化成有限自由度系统，有限自由度系统的振动微分方程如公式（1）所示。

式中：M为系统的质量矩阵；C为黏性阻尼系数矩阵；K为系统刚度矩阵；F为外加激振力矩阵；X、和分别为系统的位移、速度和加速度矩阵。

当外加激振力矩阵F为0时，求解上述微分方程，就是求解系统的固有特性。求解上述微分方程的过程最终归结为求解特征值的过程。通过求解特征值和特征向量，得到系统的固有频率和固有振型，也就是系统的动特性。

1.2 动特性有限元计算

根据操纵台的三维模型，使用PATRAN进行建模[2]，得到有限元模型，如图1所示。根据操纵台箱体的特点，箱体壁板采用Shell单元，指定壁板的实际厚度，壁板的材料为7050铝；壁板上的加强筋采用Beam单元，单元截面为加强筋的实际截面，加强筋的材料为7050铝；操纵台内的设备则在设备重心处建立CONM2单元，指定设备的实际质量，并按照设备实际的安装位置建立RBE2连接。

图1 有限元模型

模型信息统计见表1。从表1中可以看出，模型中的四边形Shell单元占比为97.6%，可以较好地描述操纵台的结构。

表1 模型信息统计

根据操纵台与驾驶舱的实际连接位置，给有限元模型相应位置的单元节点施加3个平动方向上的约束，并使用103正则模态模块进行求解，得到操纵台Y向一阶模态频率为25.719 Hz，模态振型如图2所示。由图2可以看出，操纵台上侧的模态位移较大，在上侧中部位置的模态位移最大。

操纵台安装在驾驶舱内，该位置的主要振源为主旋翼的一阶通过频率[3]。计算得到的操纵台Y向一阶模态频率与该频率靠近，从而可能引起较大的振动，这可能是该型机在飞行过程中操纵台出现振动偏大问题的根本原因。

1.3 装机动特性试验

为了查明操纵台振动偏大问题的原因，进一步掌握操纵台的动特性并验证动特性的计算结果，研究人员对3架该型机开展动特性试验。采用力锤激励方法[4]，单向激励、单向拾振，实测操纵台在60 Hz内各阶的固有频率、振型及阻尼等模态参数。振动传感器的位置如图3所示。

图2 操纵台Y向一阶模态

图3 振动传感器布置图

通过使用力锤对操纵台11#点进行Y向敲击，测得操纵台上所布设的11个测点的Y向典型频响曲线如图4所示；由图4可以看出，11个测点的Y向典型频响曲线在25.00 Hz附近存在峰值。对11个测点的Y向典型频响曲线进行拟合，得到操纵台Y向一阶模态频率及阻尼，具体数据见表2，典型模态振型如图5所示。由图5可以看出，操纵台上侧的模态位移较大，该结果与计算结果吻合。

表2 操纵台Y向一阶模态频率及阻尼

图4 操纵台Y向的典型频响曲线

由试验结果可知：1） 操纵台Y向一阶模态频率靠近主旋翼一阶通过频率，各架机的靠近程度有所差异。2） 操纵台的动特性计算结果与该型机操纵台的实际模态符合程度较好，频率偏差小于2.9%。3） 该型机操纵台出现振动偏大问题的根本原因是操纵台Y向一阶模态频率靠近主旋翼一阶通过频率。

图5 操纵台Y向的典型振型图

2 操纵台结构改进方案研究

在对初始状态下的操纵台进行动特性计算和试验的基础上，确定了操纵台出现振动偏大问题的原因，由此进行对操纵台结构改进方案的研究。

2.1 改进方案动特性计算

为了避开主旋翼一阶通过频率，应该提高或降低操纵台Y向的刚度，而降低刚度可能会不符合其他设计的要求，因此采用提高操纵台Y向刚度的方法，根据动力学的设计要求[5]，需要将操纵台Y向一阶固有频率提高到一定频率以上。

在操纵台（原始状态下）有限元模型的基础上，对增加操纵台左右两侧壁板厚度、在不同位置增加不同厚度不同类型的隔板（如图6所示）等改进方案进行计算，其中前隔板安装位置为图3中沿着测点4#、5#、6#所在位置，而后隔板安装位置为沿着测点7#、8#、9#所在位置，得到了改进后的操纵台Y向一阶固有频率，具体数据见表3，典型振型图如图7所示。从表3和图7中可以看出，结构改进后的操纵台Y向一阶固有频率得到了不同程度的提高，模态位移也发生了相应的改变，模态位移的分布更加合理。

计算结果表明：1） 增加操纵台两侧壁板和隔板的厚度，会提升整个操纵台Y向的刚度，使一阶模态频率上移。2）在隔板厚度相同的情况下，整个操纵台Y向的刚度呈现出加后隔板＜加前隔板＜增加前、后隔板的情况，即提升整个操纵台Y向刚度的效果为加后隔板＜加前隔板＜增加前、后隔板。3） 与操纵台原始状态和加厚左右两侧壁板的方案相比，在不同位置增加不同类型隔板的方案具有更合理的载荷和振动传递路径，在改进后的操纵台Y向一阶模态频率下，各位置的模态位移更小，整体模态振型得到了优化。

根据动力学的设计要求，可行的改进方案为：1） 增加厚度为1 mm以上的双隔板。2） 增加厚度为1.5 mm以上的前隔板。3） 两侧壁板均加厚2 mm以上。

2.2 改进方案动特性试验

根据改进方案的计算结果，根据工艺性要求和重量增加最小原则，选择装1.5 mm前隔板B的改进方案，并在2架直升机的操纵台加装1.5 mm前隔板B的状态下开展的动特性试验，传感器布置、试验方法等与初始状态操纵台动特性试验一致，测得操纵台Y向典型频响曲线如图8所示，由图8可以看出11个测点的Y向典型频响曲线在28.40 Hz附近存在峰值。对11个测点的Y向典型频响曲线进行拟合，得到操纵台Y向一阶模态频率及阻尼，具体数据见表4，典型模态振型如图9所示。由图9可以看出，操纵台上侧的模态位移较大，该结果与改进后的计算结果吻合。

表3 改进方案的计算结果

图6 不同类型隔板图

试验结果表明，在操纵台装1.5 mm的前隔板B后，Y向一阶固有频率已经避开主旋翼一阶通过频率，能够满足动力学的设计要求。

表4 操纵台Y向一阶固有频率

2.3 试飞验证

经过试飞验证可知，在操纵台加装1.5 mm的前隔板B后，操纵台的振动明显减小，振动问题得到了解决。

3 结语

图7 典型振型图

图8 操纵台Y向典型频响曲线图

图9 操纵台Y向典型频响曲线

通过对操纵台及其改进方案的动特性进行研究，分析其与主旋翼一阶通过频率的关系，得到如下结论：1） 操纵台出现振动偏大的根本原因是操纵台Y向一阶固有频率靠近主旋翼一阶通过频率。2） 结构改进后，操纵台Y向一阶固有频率避开了主旋翼一阶通过频率，较好地解决了操纵台振动偏大的问题。3） 当需要提高局部结构的刚度时，改变原有的结构形式，可以优化它的载荷和振动传递路径，该方法比加强原结构的效果更好、效率也更高。