飞机机翼油箱结构晃振模拟试验台设计

王轩　翁良苗　邓兴培　王震

【摘 要】为研究飞机机翼油箱结构晃振现象及其控制，提出了机翼油箱结构晃振模拟试验台结构设计方案，利用有限元方法对其无液体工况进行了模态分析，以确保晃振模拟试验台振动频率与真实机翼接近，能够模拟真实机翼结构晃振。设计的晃振模拟试验台可满足飞机机翼油箱结构晃振动力学分析与控制的研究要求。

【关键词】机翼油箱；晃振；有限元；模态分析

飞机在飞行过程中，处在一个变动范围很大的动力学环境之中。由于气动紊流、着陆撞击、武器发射、发动机和液压泵的振动，飞机上的燃油箱受到了箱内燃油晃动冲击等引起的复合振动，油箱既有沿飞机纵向和横向的低频晃动，又有沿挂点的高频振动。油液的低频晃动可能会发生与飞行员操纵控制频率的干扰问题，进而影响飞机的稳定性，甚至引起飞机不可控制和飞机损毁。例如道格拉斯A4D、洛克希德P-80、波音KC-135、赛斯纳T-37、北美YF-100 等在飞机测试阶段都遇到了这一问题[1-2]。油箱结构的高频振动，再加上油箱内油液晃动的影响，能使油箱结构连接件松动，结构局部磨损或产生裂纹而造成泄漏，将影响飞机的飞行安全[3]。可见，飞机油箱油液低频晃动和结构高频振动相复合的晃振现象严重影响飞行安全，必须加以抑制[4]。

机翼油箱结构晃振模拟试验台可以用于模拟真实机翼结构晃振现象，进而为晃振动力学及其控制研究提供支持。本文首先提出了机翼油箱结构晃振模拟试验台结构设计方案，并利用有限元方法进行了试验台结构无液体工况的模态分析。该试验台振动频率与真实机翼接近，能够模拟真实机翼结构晃振，可满足飞机机翼油箱结构晃振动力学与控制的研究要求。

1 机翼油箱结构晃振模拟试验台结构

由于一般平直机翼布局的飞机可以把机翼看成是固定在飞机机身上的悬臂梁，而且机翼面积远大于翼剖面面积，再者机翼厚度远小于机翼长度和宽度，悬臂梁结构又可近似为悬臂板结构，通过设计使悬臂板结构一阶模态与某小型飞机平直机翼油箱结构（一阶频率为1～2Hz）接近，故该悬臂板结构可以用来模拟该飞机机翼结构。用圆筒形充液容器模拟机翼油箱安装在悬臂板上，在外激励下使充液容器产生纵向晃动（圆筒容器长度方向为纵向），即可以模拟真实飞机机翼油箱结构晃振。

图1 机翼油箱结构晃振模拟试验台结构

如图1所示，悬臂板结构一端固定在支座上，该支座为结构钢材料。固定夹具材料为铝合金，通过3组螺栓把悬臂板紧紧夹住。悬臂板材料为铝合金，圆筒容器材料为有机玻璃。悬臂板和圆筒容器具体尺寸和材料性能如表1所示。

表1 悬臂板和圆筒容器具体尺寸和材料性能

2 试验台结构模态分析

本文考虑圆筒容器无液体的工况进行模态分析。利用有限元分析软件ANSYS进行试验台模态分析，首先建立如图1所示的试验台几何模型，然后定义试验台各部件的材料属性，接着进行有限元网格划分，如图2所示。

图2 试验台结构有限元网格划分

无液体工况下试验台前6阶固有频率如表2所示，从表2可以看出，无液体工况试验台各阶固有频率与文献[5]和文献[6]中的机翼固有频率相比处于相同的频率范围，尤其第1阶频率和振型十分相近，说明设计的机翼油箱结构晃振模拟试验台能够反映真实机翼的振动特性。

表2 试验台前6阶固有频率

3 结语

真实飞机机翼油箱结构晃振试验结构复杂、成本高，不适于有关机翼油箱晃振的科学研究。本文设计的飞机机翼油箱结构晃振模拟试验台结构简单、成本低，其固有频率与真实机翼接近，其各阶固有振型与真实机翼相对应，能够反映真实机翼油箱结构的动力学特性，可以满足飞机机翼油箱结构晃振动力学分析与控制的研究要求。

【参考文献】

[1]Abzug M.J. Fuel slosh in skewed tanks[J]. Journal of Guidance， Control and Dynamics，19（5）：1172-1178， 1996.

[2]Stengel R.F. Flight dynamics[B]. Princeton University Press， 2004.

[3]叶休乃.飞机油箱的晃动或晃振试验问题综述[J]. 航空标准化与质量， 1：45-49， 1986.

[4]李宝方.飞机燃油箱晃振试验[J]. 航空标准化与质量， 1：16-20， 1992.

[5]田坤簧， 谷良贤， 王洪伟. 基于Hamilton原理的大展弦比直机翼固有特性分析[J]. 机械强度， 32（5）：854-858， 2010.

[6]蒋余芬， 李志学. 基于SimDesigner的柔性机翼动力学建模与分析[C]//MSC.Software中国用户论文集， 1-6， 2005.

[责任编辑：曹明明]