颗粒阻尼技术在直升机旋翼桨叶减振中的应用

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60mm,展长820mm,质量约310g。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0.4,0.8,1.0mm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60mm,截面最大宽度为35mm,最大高度为4mm,容器上表面开有一个直径约2mm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300mm和600mm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2mm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200mm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0～200Hz,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9.4,51.5,132.4Hz,与用有限元方法“估算”得到(如图6所示)的8.2,51.3,142.3Hz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0.4,0.8,1.0mm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,桨叶阻尼比水平越高,说明颗粒阻尼效果越好。试验结果经整理后如图7所示。图7(a)～图7(c)分别给出了桨叶前3阶阻尼比随外加激励强度的变化规律曲线。其中:“无颗粒”代表桨叶未添加颗粒阻尼的情况,并以其为对比基线。从图中可以看出,未添加颗粒阻尼时,桨叶各阶阻尼比数值平稳,而添加颗粒阻尼之后,桨叶各阶阻尼比均得到明显提高,尤其在激励强度较高时,桨叶的2阶阻尼比可以增至基线的2倍以上,3阶阻尼比可以比基线增加一个数量级甚至更高,充分显示出颗粒阻尼的非线性特性以及对高阶振动的良好抑制作用。3颗粒阻尼作用非旋转桨叶模型的振动试验已经充分说明颗粒阻尼具有非常理想的阻尼效果。为了进一步模拟桨叶的真实工作状态,借助南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室的旋翼实验台等设备,对颗粒阻尼在旋转直升机旋翼桨叶上的应用效果进行了初步探索。直升机旋翼桨叶振动包括垂直于旋转面的挥舞弯曲振动、在旋转面内的摆振弯曲振动及桨叶绕本身轴线的扭转振动。将颗粒阻尼用于直升机桨叶减振具有3大优点:首先,颗粒阻尼器可置入桨叶内腔而无需改变桨叶的气动外形;其次,颗粒阻尼能够同时抑制桨叶挥舞和摆振2个方向的振动;此外,颗粒阻尼效果不会受到桨叶正常工作中所处的恶劣温度条件和气动环境的影响。不足之处在于,用于旋转桨叶的阻尼颗粒会受到较强的离心力作用,在一定程度上影响其阻尼效果的正常发挥。3.1桨叶不同转速和颗粒阻尼器特性旋转桨叶模型的颗粒阻尼减振试验装置如图8所示,桨叶数量为2片,通过特定桨毂结构安装在旋翼实验台的驱动主轴上,且2片桨叶的总质量及质量分布、安装状态等要尽可能保持一致。驱动装置和集流环等设备布置在桨叶下方,驱动装置可带动桨叶以任意指定速度进行旋转,而集流环用来对旋转桨叶的测量信号进行传递。在桨叶上表面距离桨根约200mm处布置有2个加速度传感器,分别用来测量桨叶的挥舞和摆振加速度信号,这些信号经集流环后被直接输入到动态信号分析仪Agilent35670A中,再由分析仪对其进行频谱分析。为避免阻尼颗粒承受过大离心力,桨叶采用低速旋转,最大不超过240r/min。此外,为保证阻尼颗粒能够充分地碰撞和摩擦,通过旋转主轴对整个旋翼系统进行垂直方向的总距激励,激励频率为1.5Hz。阻尼颗粒采用直径0.8mm的不锈钢颗粒物质,颗粒在阻尼容器中的填充率均为70%。试验对桨叶在不同转速和不同颗粒阻尼器条件下的挥舞和摆振加速度响应进行了测量和对比,借此来说明处于离心力场中的颗粒阻尼的阻尼功效。其中对桨叶转速的设置包括150,180,210,240r/min这4种情况,而对桨叶阻尼条件的设置亦包括4种情况:桨叶不使用颗粒阻尼器以及使用1个、2个和3个颗粒阻尼器的情况。3.2桨叶模型的摆动振动响应以转速为240r/min(即4Hz)的桨叶模型的挥舞振动为例,对试验结果进行图示说明。图9(a)～图9(c)分别给出了不使用颗粒阻尼器与使用1个、2个和3个颗粒阻尼器情况下测得的挥舞振动加速度幅值曲线对比图。每幅图中均包含几个主要峰值,分别对应总距激励频率(1.5Hz)及其2倍频(3.0Hz),转速基频(4.0Hz)及其2倍频(8.0Hz)、3倍频(12.0Hz)、4倍频(16.0Hz)、5倍频(20.0Hz)和6倍频(24.0Hz)。通过对比可以发现,使用颗粒阻尼器之后,桨叶加速度幅值曲线中的大部分峰值都在一定程度上得到了削减。每片桨叶上布置2个加速度传感器,除对桨叶挥舞振动信号进行测量外,还可以同时得到其摆振响应信号。对桨叶摆振加速度信号的分析方法类似于挥舞信号,不再进行图示说明。仍以240r/min(4Hz)转速下的桨叶为例,提取其摆振加速度响应曲线中的各主要峰值大小,列于表1,从中可以看出颗粒阻尼对桨叶摆振也具有一定的抑制作用。由以上试验结果可以看出,旋转桨叶具有非常复杂的振动形态,不仅包含了各种各样的谐波成分,且各阶谐波在振动强度上差别很大。为了能从整体上衡量桨叶振动水平的高低,采用方法如下:根据振动加速度与振动位移之间的二阶求导关系可知,位移幅值等于加速度幅值除以其对应圆频率的平方。观察桨叶加速度幅值曲线可以看出,1.5Hz激励频率处的加速度幅值要远远高出其他频率点,且1.5Hz又是各主要频率成分中的最小值,由此可以判断1.5Hz激励频率所对应的位移水平对桨叶整体位移具有最大贡献,甚至决定了桨叶整体振动水平的高低。因此将1.5Hz处的振动响应近似作为桨叶振动强度的衡量标准。试验过程中,对应每一种阻尼条件都要将桨叶按照150,180,210,240r/min这4种转速进行调节,以便观察离心力的变化对颗粒阻尼效果的影响。为将试验结果进行综合对比,从桨叶在不同转速和不同阻尼条件下的挥舞和摆振加速度幅值曲线中提取1.5Hz所对应的峰值,列于表2。表2给出了桨叶模型的挥舞和摆振加速度响应水平随转速及阻尼条件的变化规律。其中转速对颗粒阻尼效果的影响表现为:一方面,提高转速会增大阻尼颗粒所受到的离心力,使颗粒向一个方向积压,减少其相互碰撞和摩擦的机会,从而减弱阻尼效果;另一方面,桨叶转速越高其振动响应水平也越高,较高的振动强度会增加阻尼颗粒的活动性,有利于颗粒阻尼效果的发挥。这两个作用相反的因素共同决定着颗粒阻尼器效果的优劣,试验中颗粒阻尼对桨叶挥舞和摆振的最佳阻尼效果分别出现在240r/min和180r/min。表2还给出另外一个规律,即颗粒阻尼器数量越多