颗粒阻尼技术在直升机旋翼桨叶减振中的应用.docxVIP

颗粒阻尼技术在直升机旋翼桨叶减振中的应用 动机推进器的叶片是一种承受大倾角结构的弹性结构。在特殊的空气动力环境下,旋翼气动载荷中存在着显著的不同谐波的周期变化部分,而旋翼桨叶本身的固有频率又往往难以避开主要阶次气动激振力的频率,因此桨叶实际上是在持续的弹性振动下工作。桨叶的弹性振动不仅会降低其疲劳寿命,还会引起直升机机体的振动问题,这就需要对桨叶的振动响应水平进行控制。 颗粒阻尼技术由H.V.Panossian首先提出。该技术原理非常简单,就是将微小颗粒按照一定填充率填充到振动结构内部或附属的空腔内,结构振动引起颗粒之间以及颗粒与空腔壁之间的非弹性碰撞和摩擦,以此消耗能量,产生阻尼效应,从而达到抑制结构振动的目的。颗粒阻尼不仅结构简单、效果明显,还适用于高温、辐射和腐蚀等恶劣环境。 颗粒阻尼技术作为一项振动被动控制技术,在工程实践中有着非常广泛的应用,但将其用于直升机旋翼桨叶减振,在国内外尚不多见。本文采用模型试验方法对颗粒阻尼技术在直升机旋翼桨叶上的应用效果进行了探索性研究。 1 喷雾器和颗粒阻塞法的设计 1.1 钢结构材料 本文所采用的桨叶模型如图1所示。该桨叶由模压成型,平面形状为矩形,沿展向无扭转,采用对称翼型NACA0015。桨叶内部带有C型大梁,由0°单向玻璃纤维制作而成,作为主要承力件,C型大梁承担了离心力并为桨叶提供挥舞弯曲刚度;玻璃钢蒙皮除了直接构成桨叶气动外形之外还提供了大部分的扭转刚度,它由±45°铺层的玻璃布构成;桨叶内腔用低密度的泡沫塑料充填;靠近前缘位置嵌有一条圆形截面的铅配重,用以配置桨叶的弦向重心;后缘嵌设玻璃钢后缘条,以提高摆振面弯曲刚度,防止后缘失稳;桨根采用纤维直接缠绕在不锈钢衬套上的做法,避免了采用其他方法切断纤维时所造成的应力集中,提高了桨根部分的疲劳强度。桨叶模型的弦长为60 mm,展长820 mm,质量约310 g。 1.2 桨叶阻尼器安装 颗粒阻尼器由颗粒物质填充入阻尼容器构成。本文所使用的颗粒物质为不锈钢球状颗粒,其直径有0.4, 0.8, 1.0 mm这3种规格。阻尼容器由玻璃纤维材料通过特制模具模压成型,如图2所示。该容器长60 mm,截面最大宽度为35 mm,最大高度为4 mm,容器上表面开有一个直径约2 mm的小孔,用来对填充在容器中的颗粒进行更换。为了保证桨叶气动外形不被改变,阻尼器只能置入桨叶内腔,取代部分泡沫塑料填充物。每片桨叶内部安装有3个阻尼器,分别布置在桨尖以及距离桨尖300 mm和600 mm的位置,并与桨叶内腔牢固胶接。对应每个阻尼器上小孔的位置,亦在桨叶上表面打3个直通阻尼器内部直径为2 mm的通孔,用来对阻尼器进行颗粒填充或清空。图3给出了颗粒阻尼器与桨叶沿弦向和展向的相对位置示意图。 2 非旋转叶片模型的衰减衰减试验 2.1 桨叶模态参数的检测 试验设备主要包括桨叶模型、力和加速度传感器、激振器、功率放大器以及动态信号分析仪Agilent35670。图4为非旋转桨叶模型试验装置图,如图所示,桨叶模型通过桨根的2个螺孔固定在支座上,且保证3个小孔开口朝上;激振点位于桨叶下表面距离桨根约200 mm的位置;力传感器固定于激振器和桨叶的连接杆上,加速度传感器则布置在振动响应最大的桨尖位置。在试验过程中,将测量频率范围设置为0～200 Hz,力信号和加速度信号分别输入动态信号分析仪的1通道和2通道,经分析计算即可得到桨叶的频率响应函数曲线,其中包括了桨叶的前3阶弯曲振动模态信息。测量过程采用10次平均,用以消除噪声干扰。 在测得桨叶模型的频率响应函数曲线之后,根据有理分式多项式法编制MATLAB程序,即可对实测频响函数曲线进行曲线拟合及模态参数识别。以桨叶(不带颗粒阻尼)的一组实测频响函数数据为例,图5给出了包含桨叶前3阶弯曲振动模态信息的实频、虚频图及其拟合曲线,从中识别得到桨叶前3阶弯曲振动固有频率分别为9.4, 51.5, 132.4 Hz,与用有限元方法“估算”得到(如图6所示)的8.2, 51.3, 142.3 Hz最大误差不超过13%,可在一定程度上说明试验方案的正确性。 对图5中的桨叶频响函数曲线进行模态参数识别不仅可以得到桨叶的固有频率,还可以得到桨叶前3阶模态阻尼比,分别为1.26%, 0.53%和0.41%。桨叶添加上颗粒阻尼之后,其固有阻尼特性也会发生变化,因此桨叶阻尼比可用来表征颗粒阻尼的阻尼效果。本试验主要对添加颗粒阻尼前后的桨叶各阶阻尼比水平进行了分析和对比,以此来对颗粒阻尼所起到的阻尼效果进行评价。 2.2 桨叶阻尼比随附加激励强度的变化规律 将0.4, 0.8, 1.0 mm这3种直径的不锈钢颗粒依次按照70%的填充率填充到桨尖位置的阻尼容器中,构成颗粒阻尼器,并采用由弱到强的激振方式,观察桨叶各阶阻尼比的变化规律,桨叶阻