航空結(jié)構(gòu)減振降噪技術(shù)研究

2017-07-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

來源:百家號-君武軍

作者:侯峰,航空工業(yè)強(qiáng)度所

準(zhǔn)動態(tài)環(huán)境短艙效果測試裝置

航空結(jié)構(gòu)減振降噪技術(shù)研究ansys結(jié)構(gòu)分析圖片1

MA60降噪效果對比圖(最上圖為降噪前,最下圖為降噪后)

噪聲與振動問題是飛行器設(shè)計中必須考慮的重要問題:

首先,飛機(jī)在運行中產(chǎn)生的強(qiáng)噪聲與振動會影響機(jī)載設(shè)備/系統(tǒng)的性能和工作可靠性,也會誘發(fā)機(jī)體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞裂紋,危及飛機(jī)結(jié)構(gòu)的壽命和安全;
其次,吵鬧的座艙環(huán)境會干擾乘機(jī)人員之間的語言交流,使乘客感到煩躁,尤其是長時間處于噪聲環(huán)境下,人員會倍感身心疲憊,且身體健康會受到損害;
最后,飛機(jī)起降階段向外界排放的噪聲強(qiáng)度大、影響范圍廣,嚴(yán)重妨礙機(jī)場周邊居民的日常工作、學(xué)習(xí)和休息,甚至影響到身心健康。

因此,飛行器的振動噪聲問題一直是國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的重點研究方向之一,如何開展減振降噪設(shè)計來提高飛行器的安全性、舒適性和環(huán)保性也是我國飛行器設(shè)計的重點關(guān)注方向。

自20世紀(jì)70年代起,航空工業(yè)強(qiáng)度所就開始關(guān)注飛行器的振動噪聲問題,先后承擔(dān)了“ANCF系統(tǒng)工程”“民機(jī)艙內(nèi)噪聲預(yù)計、控制與試驗技術(shù)研究”“大型客機(jī)外部噪聲預(yù)計、分析與試驗技術(shù)研究”等預(yù)研項目,建立了航空器振動噪聲產(chǎn)生及傳播機(jī)理、艙室噪聲預(yù)計及控制技術(shù)、航空器適航噪聲預(yù)計及測試評估技術(shù)、金屬結(jié)構(gòu)聲疲勞性能評估及驗證等專項技術(shù)。2006年,建設(shè)了低聲強(qiáng)混響室、半消聲室、全消聲室、高聲強(qiáng)混響室、高聲強(qiáng)行波管以及氣動管道等關(guān)鍵試驗設(shè)施,形成了開展結(jié)構(gòu)聲/空氣聲傳播控制方法、艙室減振降噪設(shè)計方法、結(jié)構(gòu)氣動噪聲仿真測試及控制方法、結(jié)構(gòu)耐聲疲勞性能驗證、機(jī)載設(shè)備振動/噪聲環(huán)境適應(yīng)性驗證等研究能力。在多渠道的預(yù)研項目、基礎(chǔ)研究項目的支撐下,強(qiáng)度所在飛行器減振降噪技術(shù)方面,已形成了涵蓋各類飛行器振動噪聲的仿真預(yù)計、測試分析以及減振降噪設(shè)計的完整技術(shù)體系,具備了在飛行器立項評估階段、詳細(xì)設(shè)計階段、驗證定型階段和運行維護(hù)階段提供全方位技術(shù)解決方案的技術(shù)能力。強(qiáng)度所也先后承擔(dān)了MA700、MA60/600、運9、ARJ21-700、C919等多型號的聲學(xué)設(shè)計和噪聲控制工作,并承擔(dān)了AC500、TB20、“小鷹”500等飛機(jī)的噪聲適航審定工作,有效解決了國產(chǎn)飛行器的振動噪聲問題。

近年來,強(qiáng)度所在“大強(qiáng)度、新強(qiáng)度、數(shù)字強(qiáng)度”的戰(zhàn)略指引下,先后突破飛機(jī)噪聲源識別分離、飛機(jī)發(fā)動機(jī)風(fēng)扇噪聲產(chǎn)生與控制、艙室噪聲與振動綜合控制、發(fā)動機(jī)減振安裝設(shè)計、軍/民機(jī)結(jié)構(gòu)抗聲振疲勞設(shè)計、多物理場耦合環(huán)境結(jié)構(gòu)適應(yīng)性分析與驗證、金屬結(jié)構(gòu)振動疲勞損傷機(jī)理和演化規(guī)律等一系列關(guān)鍵技術(shù),有力支撐了國產(chǎn)飛行器設(shè)計工作。

大型飛機(jī)外部噪聲預(yù)計技術(shù)

通過消化吸收國外主要噪聲源的噪聲預(yù)計模型以及噪聲傳播模型,結(jié)合工程應(yīng)用中的潛在需求,設(shè)計開發(fā)出大型飛機(jī)外部噪聲預(yù)計系統(tǒng),形成了根據(jù)發(fā)動機(jī)參數(shù)、機(jī)體幾何參數(shù)、飛機(jī)航跡參數(shù)完成飛機(jī)外部噪聲預(yù)計的能力,可提供飛機(jī)適航噪聲預(yù)計、巡航狀態(tài)機(jī)體表面聲載荷預(yù)計、地面開車狀態(tài)發(fā)動機(jī)噪聲預(yù)計等功能;為飛機(jī)設(shè)計部門在飛機(jī)初始設(shè)計階段,開展適航噪聲預(yù)計、機(jī)體結(jié)構(gòu)抗聲疲勞設(shè)計、艙內(nèi)聲學(xué)設(shè)計等工作的提供技術(shù)手段和設(shè)計工具。

渦扇發(fā)動機(jī)風(fēng)扇噪聲控制技術(shù)

在渦扇發(fā)動機(jī)風(fēng)扇噪聲控制方面,針對微穿孔板消聲結(jié)構(gòu)開展了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和效果測試工作,先后完成了平板型聲襯元件的聲阻抗特性預(yù)計及測試、圓筒型聲襯模型件的插入損失及傳遞損失等聲學(xué)性能測試、全尺寸聲襯結(jié)構(gòu)靜態(tài)環(huán)境及準(zhǔn)動態(tài)聲學(xué)性能測試等工作;在此基礎(chǔ)上,利用大量測試數(shù)據(jù),歸納形成了微穿孔板消聲結(jié)構(gòu)聲阻抗計算軟件,為開展發(fā)動機(jī)消聲短艙結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計提供必要、可靠的設(shè)計工具。

飛機(jī)艙室振動噪聲主/被動控制技術(shù)

在渦槳飛機(jī)被動噪聲控制方面,強(qiáng)度所先后完成MA60/600、運9等機(jī)型的座艙降噪工作,有效改善了相關(guān)機(jī)型的客艙噪聲水平。

強(qiáng)度所針對渦槳支線飛機(jī)的噪聲特性及結(jié)構(gòu)設(shè)計特點,建立了適用于渦槳飛機(jī)艙內(nèi)聲學(xué)設(shè)計的技術(shù)體系,包括艙內(nèi)聲場特性測試方法、艙內(nèi)噪聲預(yù)計方法、航空材料選型方法、螺旋槳氣流噪聲實驗室模擬方法、艙內(nèi)綜合噪聲控制方法等,結(jié)合相關(guān)機(jī)型的飛行測試和實驗室內(nèi)大量的實驗室測試,設(shè)計出滿足機(jī)型特點的降噪方案;根據(jù)飛行測試結(jié)果,經(jīng)降噪改裝后MA60飛機(jī)整機(jī)減重15千克,最大噪聲區(qū)域降噪量5.9dB(A);經(jīng)降噪改裝后的運9飛機(jī)整機(jī)減重123千克,最大噪聲點降噪量近10dB(A)。

在噪聲主動控制技術(shù)方面,重點開展自適應(yīng)算法設(shè)計、次級聲源選型及布局優(yōu)化、主動降噪系統(tǒng)工程化開發(fā)等工作;2012年度在國內(nèi)首次完成了渦槳飛機(jī)地面開車狀態(tài)噪聲主動控制效果驗證試驗,測試結(jié)果表明控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、目標(biāo)頻率噪聲控制效果達(dá)8dB的效果;自主開發(fā)的主動降噪座椅于2016年度參加石家莊航展,獲得現(xiàn)場體驗者好評。

振動/噪聲對金屬結(jié)構(gòu)損傷破壞問題研究

在振動/噪聲對金屬結(jié)構(gòu)損傷破壞的研究方面,強(qiáng)度所開展大量的理論分析和試驗驗證工作,形成了一系列的技術(shù)突破。在金屬結(jié)構(gòu)振動疲勞破壞關(guān)鍵基礎(chǔ)研究方面,實現(xiàn)了金屬結(jié)構(gòu)振動疲勞損傷機(jī)理、計及阻尼效應(yīng)的雙尺度振動疲勞損傷累積模型、飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性快速優(yōu)化算法和抗振動疲勞設(shè)計方法等一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破;此外,在試驗技術(shù)方面也取得較大突破,完成了彈艙結(jié)構(gòu)空腔共鳴噪聲試驗、金屬結(jié)構(gòu)聲疲勞加速試驗、聲溫振聯(lián)合載荷環(huán)境及聲-熱-振-靜多場耦合環(huán)境下結(jié)構(gòu)聲疲勞試驗,有效支撐了軍機(jī)型號的研制。

新材料研究及新技術(shù)的發(fā)展

面向減振降噪的新需求和新要求,強(qiáng)度所積極開展新技術(shù)的研究,專門成立創(chuàng)新團(tuán)隊研究新型阻尼減振材料、新型發(fā)泡金屬吸聲材料等,并借助人工智能和振動噪聲仿真等方向的成果,開展根據(jù)工程減振需求自動匹配阻尼材料配方的探索。此外,在人體舒適性感知方面,強(qiáng)度所也開展了人體對振動/噪聲主觀評價方法研究,探索“悅耳、好聽、難聽”、“晃、顛”等主觀詞匯與“頻率”“量級”等物理詞匯的對應(yīng)關(guān)系,進(jìn)而為深入開展舒適性研究奠定基礎(chǔ)。

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