航空結構減振降噪技術研究

2017-07-03 by:CAE仿真在線來源:互聯網

來源:百家號-君武軍

作者:侯峰,航空工業強度所

準動態環境短艙效果測試裝置

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計中必須考慮的重要問題:

首先,飛機在運行中產生的強噪聲與振動會影響機載設備/系統的性能和工作可靠性,也會誘發機體結構出現疲勞裂紋,危及飛機結構的壽命和安全;
其次,吵鬧的座艙環境會干擾乘機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,飛機起降階段向外界排放的噪聲強度大、影響范圍廣,嚴重妨礙機場周邊居民的日常工作、學習和休息,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外科研機構的重點研究方向之一,如何開展減振降噪設計來提高飛行器的安全性、舒適性和環保性也是我國飛行器設計的重點關注方向。

自20世紀70年代起,航空工業強度所就開始關注飛行器的振動噪聲問題,先后承擔了“ANCF系統工程”“民機艙內噪聲預計、控制與試驗技術研究”“大型客機外部噪聲預計、分析與試驗技術研究”等預研項目,建立了航空器振動噪聲產生及傳播機理、艙室噪聲預計及控制技術、航空器適航噪聲預計及測試評估技術、金屬結構聲疲勞性能評估及驗證等專項技術。2006年,建設了低聲強混響室、半消聲室、全消聲室、高聲強混響室、高聲強行波管以及氣動管道等關鍵試驗設施,形成了開展結構聲/空氣聲傳播控制方法、艙室減振降噪設計方法、結構氣動噪聲仿真測試及控制方法、結構耐聲疲勞性能驗證、機載設備振動/噪聲環境適應性驗證等研究能力。在多渠道的預研項目、基礎研究項目的支撐下,強度所在飛行器減振降噪技術方面,已形成了涵蓋各類飛行器振動噪聲的仿真預計、測試分析以及減振降噪設計的完整技術體系,具備了在飛行器立項評估階段、詳細設計階段、驗證定型階段和運行維護階段提供全方位技術解決方案的技術能力。強度所也先后承擔了MA700、MA60/600、運9、ARJ21-700、C919等多型號的聲學設計和噪聲控制工作,并承擔了AC500、TB20、“小鷹”500等飛機的噪聲適航審定工作,有效解決了國產飛行器的振動噪聲問題。

近年來,強度所在“大強度、新強度、數字強度”的戰略指引下,先后突破飛機噪聲源識別分離、飛機發動機風扇噪聲產生與控制、艙室噪聲與振動綜合控制、發動機減振安裝設計、軍/民機結構抗聲振疲勞設計、多物理場耦合環境結構適應性分析與驗證、金屬結構振動疲勞損傷機理和演化規律等一系列關鍵技術,有力支撐了國產飛行器設計工作。

大型飛機外部噪聲預計技術

通過消化吸收國外主要噪聲源的噪聲預計模型以及噪聲傳播模型,結合工程應用中的潛在需求,設計開發出大型飛機外部噪聲預計系統,形成了根據發動機參數、機體幾何參數、飛機航跡參數完成飛機外部噪聲預計的能力,可提供飛機適航噪聲預計、巡航狀態機體表面聲載荷預計、地面開車狀態發動機噪聲預計等功能;為飛機設計部門在飛機初始設計階段,開展適航噪聲預計、機體結構抗聲疲勞設計、艙內聲學設計等工作的提供技術手段和設計工具。

渦扇發動機風扇噪聲控制技術

在渦扇發動機風扇噪聲控制方面,針對微穿孔板消聲結構開展了結構優化設計和效果測試工作,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性能測試、全尺寸聲襯結構靜態環境及準動態聲學性能測試等工作;在此基礎上,利用大量測試數據,歸納形成了微穿孔板消聲結構聲阻抗計算軟件,為開展發動機消聲短艙結構參數設計提供必要、可靠的設計工具。

飛機艙室振動噪聲主/被動控制技術

在渦槳飛機被動噪聲控制方面,強度所先后完成MA60/600、運9等機型的座艙降噪工作,有效改善了相關機型的客艙噪聲水平。

強度所針對渦槳支線飛機的噪聲特性及結構設計特點,建立了適用于渦槳飛機艙內聲學設計的技術體系,包括艙內聲場特性測試方法、艙內噪聲預計方法、航空材料選型方法、螺旋槳氣流噪聲實驗室模擬方法、艙內綜合噪聲控制方法等,結合相關機型的飛行測試和實驗室內大量的實驗室測試,設計出滿足機型特點的降噪方案;根據飛行測試結果,經降噪改裝后MA60飛機整機減重15千克,最大噪聲區域降噪量5.9dB(A);經降噪改裝后的運9飛機整機減重123千克,最大噪聲點降噪量近10dB(A)。

在噪聲主動控制技術方面,重點開展自適應算法設計、次級聲源選型及布局優化、主動降噪系統工程化開發等工作;2012年度在國內首次完成了渦槳飛機地面開車狀態噪聲主動控制效果驗證試驗,測試結果表明控制系統運行穩定、目標頻率噪聲控制效果達8dB的效果;自主開發的主動降噪座椅于2016年度參加石家莊航展,獲得現場體驗者好評。

振動/噪聲對金屬結構損傷破壞問題研究

在振動/噪聲對金屬結構損傷破壞的研究方面,強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突破。在金屬結構振動疲勞破壞關鍵基礎研究方面,實現了金屬結構振動疲勞損傷機理、計及阻尼效應的雙尺度振動疲勞損傷累積模型、飛機典型結構動力學特性快速優化算法和抗振動疲勞設計方法等一系列關鍵技術的突破;此外,在試驗技術方面也取得較大突破,完成了彈艙結構空腔共鳴噪聲試驗、金屬結構聲疲勞加速試驗、聲溫振聯合載荷環境及聲-熱-振-靜多場耦合環境下結構聲疲勞試驗,有效支撐了軍機型號的研制。

新材料研究及新技術的發展

面向減振降噪的新需求和新要求,強度所積極開展新技術的研究,專門成立創新團隊研究新型阻尼減振材料、新型發泡金屬吸聲材料等,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”等物理詞匯的對應關系,進而為深入開展舒適性研究奠定基礎。

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