直升机机体结构减振优化设计

 直升机机体结构减振优化设计

雷绍裘 许再德 葛沐林

61213部队，山西 临汾 041000

摘要：直升机机体结构的减振优化是为了降低直升机在飞行和地面运行中产生的振动水平，以提高飞行舒适性、延长机体寿命并保证机载设备的正常运行。直升机在飞行过程中，由于旋翼空气动力学环境及结构的特殊性，旋翼桨叶受到周期性的气动载荷使桨叶产生弹性振动。直升机机体结构减振优化的作用是多方面的，涉及到飞行安全、机体结构寿命、机载设备性能、飞行性能和运营成本等多个方面的因素。本文结合直升机机体结构减振优化设计进行分析，以供参考。

关键词：直升机；机体结构；减振；优化设计

1直升机机体结构减振优化作用

1.1飞行舒适性提高

直升机在飞行中会受到各种外界因素的干扰，如气流、风、气流扰动等，这些干扰可能导致机体振动。通过减振优化，可以降低这些振动水平，提高飞行舒适性，减少机组人员疲劳，同时提高任务执行效率。

1.2机体结构寿命延长

振动会对机体结构产生疲劳和损伤，尤其是在长时间飞行或频繁的起降过程中。减振优化可以降低机体结构的振动水平，从而减缓结构疲劳的发展速度，延长直升机的使用寿命。

1.3保护机载设备

直升机上搭载着各种敏感的机载设备，这些设备对振动非常敏感。通过减振优化，可以减少机体传递给机载设备的振动，防止振动对设备性能的影响，保障机载设备的正常运行。

1.4提高飞行性能

降低机体振动可以减小飞行阻力，提高燃油效率。此外，振动对飞行控制系统的影响也可能导致飞行性能下降，因此减振优化有助于提高直升机的飞行性能和操控性。振动引起的结构疲劳和损伤需要更频繁的维护和检修，这会增加直升机的维护成本。减振优化可以降低机体的振动水平，减缓结构疲劳，从而减少维护需求，降低运营成本。

2直升机机体结构减振优化设计策略

2.1主旋翼和尾桨的平衡

直升机机体结构的振动会影响机载设备的稳定性和正常运行，甚至可能导致设备损坏。减振可以减小振动对机载设备的影响，延长其使用寿命，确保航空任务的顺利完成。此外，如果直升机用于运输易损载荷，减振也能够保护这些载荷免受振动的损害。在设计中确保主旋翼和尾桨的平衡，以减小由于不平衡引起的振动。通过精确控制叶片的制造工艺，确保每片叶片的质量和几何参数尽可能一致。这包括对叶片的材料选取、成型工艺、加工工艺等方面的严格控制，以减小叶片间的质量差异。在叶片制造完成后，进行动平衡测试，检测叶片的质量分布情况和不平衡程度。通过在旋转速度下测试叶片的振动情况，识别并记录叶片的不平衡情况。根据动平衡测试的结果，对不平衡的叶片进行动态平衡调整。这可能涉及在叶片上添加或去除质量，以实现叶片的平衡。在安装主旋翼和尾桨时，确保每片叶片的安装位置和角度都精确一致。任何微小的安装误差都可能导致不平衡，进而引起振动。定期对主旋翼和尾桨进行检查和维护，确保叶片没有损坏或变形，以及时发现并解决潜在的不平衡问题。利用先进的制造和检测技术，如数控加工、激光测量等，提高叶片制造和检测的精度和效率，减小不平衡的可能性。安装主旋翼和尾桨的主动或被动减振系统，通过传感器实时监测振动并采取相应的措施来抑制振动。

2.2使用振动吸收材料

使用振动吸收材料是减小直升机振动的重要策略之一，这些材料可以在直升机结构中的关键位置吸收和减缓振动的传递，从而降低振动的幅度和频率。振动吸收材料通常是具有较高的弹性和阻尼性能的材料，如橡胶、弹性聚合物、聚氨酯等。这些材料能够有效地吸收振动能量并将其转化为热能。振动吸收材料通常安装在直升机结构的关键位置，如主旋翼和尾桨的旋转部件、机身连接点等。这些位置是振动传递的主要路径，通过在这些位置安装振动吸收材料，可以有效地减小振动的传递弹性元件是常见的振动吸收材料之一，通常由弹簧或橡胶制成。它们可以在结构中起到缓冲和吸收振动的作用，减少振动对结构的影响。吸振器是一种专门设计用于减震的装置，可以有效地吸收和减缓振动能量。它们通常采用液体或气体封装在柔软的外壳中，通过流体的流动和摩擦产生阻尼效果。振动吸收材料的选择和安装需要与直升机的结构设计相结合，确保其与其他结构组件的集成和兼容性。这需要在设计阶段就考虑到振动吸收的需求，并进行合适的结构调整和优化。在使用振动吸收材料之后，需要对其性能进行评估和优化。这包括对振动吸收效果的实验测试和仿真分析，以确保其满足设计要求并发挥最佳的减振效果。

2.3动力装置的平衡

振动会影响直升机的操纵性和飞行性能，降低飞行安全性。振动会影响驾驶员对飞行环境的感知，干扰操纵系统的工作，甚至导致飞行员失去对飞行器的控制。通过减小机体结构振动，可以提高直升机的飞行稳定性和安全性，确保直升机动力装置的平衡对于减小由于动力系统不平衡引起的振动至关重要。发动机是直升机动力系统的核心组成部分。在设计和制造过程中，需要确保发动机的内部零部件和旋转部件的平衡。这包括在制造和装配过程中严格控制零部件的质量，采取精密的加工工艺以确保旋转部件的平衡。传动系统负责将发动机产生的动力传递到主旋翼和尾桨上。传动系统的平衡对于减小振动至关重要。在设计和制造过程中，需要确保传动系统的各个部件之间的配合精度和平衡性，以减小由于传动系统不平衡引起的振动。使用先进的结构分析工具，如有限元分析，来模拟和评估直升机的结构振动响应。这有助于确定可能的振动源，并对结构进行优化设计，以减小振动的传递和影响。采用主被动混合的减振系统，结合主动控制和被动减振技术。主动控制技术可以通过传感器监测振动并采取相应的措施来抑制振动，而被动减振技术则通过振动吸收材料等手段来减小振动的传递。定期对动力装置进行检查和维护，确保发动机和传动系统处于良好的工作状态。及时发现并修复动力装置中的不平衡问题，有助于减小振动的影响。

2.4结构刚度的优化

在设计中调整机体结构的刚度，以降低共振频率和减小振动幅度。在设计阶段，通过调整机体结构的材料、形状和连接方式等来优化结构的刚度。增加关键部位的刚度可以降低共振频率，减小振动幅度。改进主旋翼设计可以有效减小旋翼噪音，从而降低振动的产生。例如，采用先进的叶片设计、减小叶片尖音速、减小叶片厚度等方法可以降低旋翼噪音，进而减小振动。定期进行结构振动检测，通过使用振动传感器等设备监测直升机的振动情况。一旦发现异常振动，及时进行维护和修复，以解决潜在的振动问题，防止振动进一步扩大影响直升机的飞行安全和舒适性。采用先进的轻质材料和复合材料可以降低机体结构的质量，并且提供更好的刚度和阻尼性能，从而减小振动的传递和影响。使用先进的结构分析工具进行模拟和优化，以评估不同结构设计对振动的影响，并找到最佳的结构设计方案，以降低振动幅度和共振频率。

结束语

综上所述，长期频繁的振动会导致直升机机体结构的疲劳和损伤，从而影响其结构强度和使用寿命。减振可以减缓机体结构的疲劳速度，延长其使用寿命，降低维护成本，并提高直升机的可靠性。直升机机体结构减振对于提高飞行舒适性、保护机载设备和载荷、提高飞行安全性、降低机体疲劳和损伤、以及改善任务执行效率具有重要的意义，是直升机设计和运用中不可忽视的重要一环，良好的优化设计策略的综合应用可以有效减小直升机机体结构振动，提高飞行舒适性，延长结构寿命，同时确保飞机的性能和安全。

参考文献

[1] 国外复合式高速直升机发展现状与关键技术[J]. 尹欣繁;车兵辉;章贵川;彭先敏;靳清岭.飞航导弹,2019

[2] 美国直升机噪声预估系统的现状和发展趋势[J]. 徐国华,高正.南京航空航天大学学报,1993

[3] 直升机升力面气动载荷研究[J]. 张雅铭.直升机技术,2001