基于有限元计算及动力学试验的某型直升机雷达平台结构优化

范学伟

摘 要：某型直升机飞行过程驾驶舱振动水平偏大，通过系列措施定位于雷达安装平台动力学特性不佳，需进行调频设计，通过有限元计算、动力学试验结果对雷达平台的局部结构进行优化，通过飞行试验验证结构优化的有效性。

关键词：雷达平台;调频设计;结构优化

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）02-0054-02

0 引言

某型直升机飞行过程中驾驶舱振动偏大，严重影响乘员舒适性及任务完成，为解决此问题，进行相关排查工作，包括计算分析，动力学试验，振动水平测试等，定位于雷达安装平台局部动力学特性不佳，与旋翼激励频率24Hz较近造成局部共振，由于雷达位于驾驶舱附近，遂造成驾驶舱振动偏大，基于有限元计算及动特性试验结果进行雷达平台结构优化，进行调频设计，使驾驶舱振动降低至舒适水平。

1 问题定位

问题发生后进行了飞行振动水平测试，在某特定重量及重心状态下，两选定位置处的振动水平如表1所示，乘员位置24Hz振动水平较大。

驾驶舱座椅地板处振动较大，最大值0.45g，严重影响了乘员舒适性。限于直升机特点，直升机的振动是不可避免的，但须找到问题源头采取有效措施将振动控制在合理的范围，以不影响机载设备正常工作，且具有可接受的乘员舒适性[1-2]。

对于此型直升机，其驾驶舱地板的24Hz振动主要是旋翼振动载荷通过桨毂、主减、机体结构传递到驾驶舱;另一方面主桨叶下洗气流也会对驾驶舱振动产生影响。本问题共3个可能的底事件导致驾驶舱振动大，进行了相关排查工作：

（1）进行相关工艺检查排除旋翼系统锥体动平衡不佳原因;

（2）通过对主减隔振系进行工艺检查排除系统性能下降原因;

（3）此型号为某定型型号的小改型，初步认为有关加改装导致了整机或局部振动特性不佳，引起全机或局部振动水平变大。所以初步认为机头加装大质量雷达后导致局部动特性不佳进而恶化驾驶舱振动。

根据以上排查结果，对雷达进行模态分析，原雷达平台结构模型及建立的有限元模型如图1所示，两长撑杆及两短撑杆的四撑杆方式，雷达基于螺栓连接于平台中间法兰处。

前三阶模态计算结果如表2所示，进行的动特性试验频响曲线如图3所示。

雷達安装平台原状态频响曲线在24Hz附近存在峰值频率为23.8Hz。动特性计算及试验结果都表明：雷达平台局部垂向固有模态靠近旋翼激励频率24Hz。会导致雷达及附件局部结构振动变大，需进行雷达平台调频设计。

2 雷达安装平台结构优化

基于开展的计算分析、动特性试验及振动实测数据分析，需要对雷达平台局部结构进行优化，调整其固有频率以避开旋翼激励频率[3]。

综合考虑相关因素，进行了降低平台刚度调低固有频率的尝试，首先计算分析了将原四撑杆中的两短撑杆取消，用以降低平台固有频率，避开旋翼激励频率。同时为了满足静强度及疲劳强度进行了局部加强，结构模型如图4所示。

模态计算结果显示雷达平台固有频率明显降低，遂对结构实施更改，进行动特性试验，结构更改后的其频响曲线如图5所示。

频响曲线在24Hz附近存在一个峰，频率降低到21Hz，计算及实验结果表明结构优化后雷达平台固有频率避开激励频率24Hz，认为可以有效降低附近位置处振动水平。

3 飞行验证

相同飞行状态下，进行试飞验证。选定位置处24Hz振动水平如表4所示。

飞行测试中，座椅地板处振动水平明显好转，由优化前的0.4g左右降至0.15g左右，脚蹬地板处振动水平稍微有下降，量值都符合行业标准要求，且得到乘员的认可，如图6-7所示。

4 结语

针对此型直升机驾驶舱振动偏大问题，在开展计算分析、动特性试验和振动试飞综合排查准确定位了问题原因，并针对性的提出了雷达平台结构调频优化方案，实施后驾驶舱振动水平明显下降，使乘员舒适性得到较大改善[4-5]。在直升机前期研制过程中，对机身局部及部件进行动力学仿真分析试验，确定其是否符合设计要求。此方法可为直升机后续相关振动问题解决提供一定的依据和参考，可节约设计成本提高了设计效率。

参考文献

[1] 航空航天工业部科学技术研究院.直升机动力学手册[M].北京：航空工业出版社，1991.

[2] 诺顿M.P.工程噪声和振动分析基础[M].北京：北京航空工业出版社，1993.

[3] 林家浩.结构动力优化设计发展综述[J].力学进展，1983，13（04）：423-431.

[4] 陈建军，车建文，崔明涛，等.结构动力优化设计述评与展望[J].力学进展，2001，31（02）：181-192.

[5] 顾松年，徐斌，荣见，等.结构动力学设计优化方法的新进展[J].机械强度，2005，27（02）：156-162.