全尺寸无缝声衬静声联合载荷仿真分析研究.docx

? ? 全尺寸无缝声衬静声联合载荷仿真分析研究 ? ? 杭 超，王 晨，薛东文，徐 健 (中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065) 1 引言 飞机的噪声水平已成为影响其市场竞争力的重要技术指标。发动机是飞机最主要的噪声源，随着民用飞机对低耗油率等指标要求的提高，使得发动机涵道比越来越大，这种趋势使发动机风扇噪声在飞机噪声中的比重进一步增大。在发动机短舱中加装声衬是一种降低风扇噪声的有效手段[1，2]。近年来随着短舱降噪技术的革新，发展了无缝声衬技术。无缝声衬相比于早期的轴向接缝声衬，能够吸收高频段的宽频噪声而不是单一的处于叶片通过频率处的谐波噪声，具有更优的消声效果。典型的声衬结构由穿孔面板、蜂窝芯以及刚性背板构成。蜂窝芯的上下端面分别与穿孔面板和刚性背板连接，使蜂窝芯腔体密封且互相隔离，形成了多个独立的共振器，共振器的阻值是面板结构的函数，而其抗值是芯腔深度的函数[3]。 发动机短舱声衬结构在工作状态下，同时承受静压力载荷与声载荷激励，其中静压力载荷主要由声衬内外表面的压力差引起，声载荷主要由压气机/风扇产生的高强脉动音频冲击产生。声衬结构在以上静声联合载荷作用下可能出现疲劳问题。因此，有必要对声衬结构进行静载-声载联合仿真分析，评估声衬结构的强度，并根据仿真分析结果，为声衬结构抗静声联合疲劳设计提供参考[4]。有限元方法[5]、理论解析方法[6，7]和统计能量法[8，9]是分析结构声振响应的常用方法。 目前对声衬强度的研究主要集中在小型平板结构，缺少对全尺寸环形声衬结构的整体建模分析。而且在载荷形式上，仅考虑了单独的静载荷或声载荷，没有将两种载荷联合分析。本文提出基于旋转对称边界和对称边界的全尺寸声衬模型简化方法，克服了全尺寸声衬网格数量巨大的困难，对声衬结构同时施加静载和声载进行分析，仿真结果可以为声衬结构强度的设计提供参考。 2 声衬结构模型简化方法 声衬主要由穿孔面板、蜂窝芯以及刚性背板构成，其结构比较复杂，给结构强度分析带来诸多困难。尤其是全尺寸的短舱声衬结构尺寸非常大，且内部的蜂窝结构、穿孔面板局部尺寸复杂，想要直接对全尺寸的环形无缝声衬进行强度分析几乎是不可能完成的。因此，需要针对无缝声衬的结构特点，通过旋转对称边界条件与对称边界条件对其结构进行简化，减少网格数量，便于进行强度分析。 短舱声衬结构近似可看作薄壁柱面结构，它的几何形状沿轴向和周向都具有对称性，两个圆形端面的边界条件接近固支边界条件，且受到的静载和声载均垂直于圆柱表面。由此可知，声衬结构关于其轴向中面几何形状对称、边界条件对称、载荷对称，因此可以在声衬轴向中面处，通过对称边界条件对声衬结构进行简化，对称边界将结构简化成原结构的一半。同时，声衬结构关于中轴线具有旋转对称性质，可以采用旋转对称边界条件对其结构进行简化，旋转对称边界条件将圆柱面看作由多个扇形柱面组成，由其中一个扇形柱面代表整个圆柱面，相邻扇形柱面的场值相差一个相位因子。声衬结构的模型简化方法如图1所示。 图1 声衬结构的模型简化方法 3 模型简化方法验证 为了验证上述模型简化方法的正确性，本节通过简单算例对上述旋转对称边界条件与对称边界条件的简化方法进行分析，证明简化结构与全尺寸结构的等价性，同时证明了边界条件设置的合理性。 3.1 算例仿真参数 以圆筒结构为分析对象，几何尺寸如下：直径400mm，长度200mm，壁厚2mm。对圆筒结构建立两种模型，一种为全尺寸模型，另一种为经旋转对称边界条件与对称边界条件简化的模型，简化模型对应的圆心角为18°，长度为100mm，是全尺寸结构长度的一半，简化模型的几何大小为全尺寸模型的1/40。圆筒全尺寸模型和简化模型如图2所示。选取圆筒材料为钢，其密度为7800 kg/m3，弹性模量为210 GPa，泊松比取0.3。全尺寸模型和简化模型都受到垂直于表面向外的均布压强，大小为0.1MPa。全尺寸模型的两边均为固支边界条件，简化模型在长度方向一边为固支边界条件，另一边为对称边界条件，沿周向的两边均为旋转对称边界条件，如图2所示。 图2 圆筒有限元模型 3.2 算例仿真结果 圆筒全尺寸模型和简化模型在静压力作用下的变形分布分别如图3和图4所示。对比图3和图4可以发现，圆筒全尺寸模型和简化模型在受到静力作用后的变形分布相同，最大变形量均为9.199e-6 m。验证了简化模型在静力分析中的正确性。 图3 圆筒全尺寸模型受静载变形场 图4 圆筒简化模型受静载变形场 圆筒全尺寸模型和简化模型受到静压力作用后，对其分别进行模态分析。表1给出了全尺寸模型和简化模型的前10阶固有频率，通过对比可知，两种模型的固有频率基本相同，最大误差不超过0.03%，说明这两种模型计算出的固有频率一致性很好。 表1 两种圆筒模型的固有频率 接下来对两种模型的模态振型进行对