某型飞机进气道结构声疲劳分析技术研究

龚思楚，李森，张宪政，梅李霞

（中航工业洪都，江西南昌，330001）

某型飞机进气道结构声疲劳分析技术研究

龚思楚，李森，张宪政，梅李霞

（中航工业洪都，江西南昌，330001）

针对某型飞机进气道口盖连接区螺钉松动、掉落现象，利用有限元技术结合声疲劳分析DSR法进行声疲劳分析，建立进气道整体有限元模型，并采用Bush单元来定义口盖连接处螺钉，通过细化有限元模型来反映结构整体刚度对结构声响应的影响，结果表明，进气道的结构抗声疲劳的细节薄弱部位与破坏部位吻合较好。

声疲劳；随机响应分析；Bush元；DSR法

0 引言

研究表明，飞机结构在高强噪声激励作用下会引起结构动应力响应，出现结构声疲劳破坏现象［6］。飞机在飞行过程中，进气道附近会产生高强噪声，进气道内部将承受复杂的气动和噪声载荷，容易导致声疲劳破坏，出现连接件松动，蒙皮裂纹等现象［5］。根据以往飞机结构的声疲劳分析研究可知，利用有限元分析软件中的随机振动响应分析模块对结构进行声响应分析能够很好的反映结构的噪声响应，并且与实验结果吻合较好，可以准确预计结构抗声疲劳的细节薄弱部位［1］，但是由于实验条件的限制，分析只针对典型结构件，通过合理约束来替代周边结构，在对结构进行分析时，并不能充分地考虑周边结构刚度对结构噪声响应的影响。本文针对某型飞机进气道唇口附近口盖出现螺钉松动和掉落的现象，根据进气道结构的复杂性，建立进气道整体有限元模型，采用Bush单元来定义口盖连接处的螺钉，模拟真实的连接形式，进行结构噪声响应分析；并对进气道结构不同部位的噪声响应进行声疲劳寿命估算和对比分析；获知口盖连接区域容易出现声疲劳破坏，与进气道出现螺钉松动、掉落的区域基本一致。

1 随机振动过程

一般工程应用中，假设飞机噪声是各态历经的平稳随机过程，作用在结构上的噪声声压是均布的或相同的，这极大的简化了随机振动过程［2］。工程中噪声以一组信号的形式传递到结构上，将这一噪声信号定义为随机变量，其平均功率可以表示为：

则定义：

Sx(ω)表示了信号平均功率在频域上的分布。

在声载荷作用下，结构共振频率与声场频率发生耦合，导致结构出现振动。由于声载荷频率覆盖范围较广，结构的振动是多阶模态响应叠加的结果，其叠加方式遵循线性叠加。在随机响应分析中，声载荷以功率谱密度的形式施加。假设声场在整个结构受声面上均匀分布，不随空间变化，则随机载荷的施加可采用非空间场的方式垂直加载于结构受声面。

一般来说，试验中测得的声场为1/3倍频程的频带声压级，而在有限元分析中是以功率谱密度的形式施加声载荷,因此，需要将测量得到的频带声压级转换为响应的功率谱密度谱，把声压值换算为等效的功率谱密度压力值。首先将分贝声压级换算为单位带宽分贝声压级：

式中：Lf—频率为f的单位带宽声压级（dB）；

L—中心频率为f的效率间隔内的声压级；

La—低分辨率时应考虑的载荷精度系数，对倍频程和1/3倍频程带图，取1.0 dB；

ΔL—带宽修正系数。

再利用公式：

将Lf转换为均方根压力值。压力值的平方即为相应频率功率谱密度的压力值。声激励载荷的1/3倍频程带谱声压级与功率谱密度值引用文献［1］。

2 有限元模型

由于进气道结构复杂，声载荷激励作用于整个进气道内蒙皮，而不能简单的将进气道简化为典型结构件进行声响应分析，因此需建立进气道整体有限元模型。模型中不仅包括进气道内蒙皮和框接头，而且还包括环向型材、箍和隔框等支持结构，在口盖连接区采用Bush单元来模拟螺钉连接，并通过合理约束模拟进气道与机身连接。进气道整体有限元模型如图1所示，口盖模型如图2所示。

图1 进气道整体有限元模型

3 声响应分析结果

利用有限元软件对进气道模型进行随机响应分析，分析结果如图3～图6所示，对比图3与图5的分析结果可知，进气道最高应力为4.78MPa，位于进气道唇口隔板处，口盖最高应力为2.30MPa，位于与进气道隔板连接处。可知进气道最高应力并不在口盖与隔板连接处，而是进气道隔板处，但是口盖与进气道隔板连接处的应力水平相对较高，而且与出现螺钉松动、掉落的区域位置基本一致。

4 声疲劳寿命

结构声疲劳问题的本质就是随机噪声激励作用使结构产生动应力响应而导致的疲劳问题，在结构声疲劳寿命分析方法中，DSR法作为一种快速的工程计算方法而被广泛采用。DSR法是根据疲劳累积损伤的原理确定结构的声疲劳寿命。DSR定义为在噪声载荷激励下所获得的S-N曲线上对应于106循环次数的声疲劳强度。一般DSR法要计算基本结构响应频率，结构声疲劳应力，通过建立结构有限元模型进行模态分析和随机振动响应分析得到，然后确定DSR细节声疲劳额定值，计算声疲劳寿命。根据细节疲劳额定值（DSR）的定义，结构在随机声载荷作用下的疲劳寿命为：

图3 进气道整体应力分布云图

图4 进气道隔板应力分布云图

图5 进气道口盖应力分布云图

图6 进气道内蒙皮应力分布云图

式中：σs—计算声疲劳应力；

s—声疲劳S-N曲线的斜度参数；

DSR为声激励的S-N曲线上对应106次循环的声疲劳强度，DSR估算公式为：

式中：DSRjz—结构DSR基准值MPa；

As—孔填充系数；

Bs—合金表面处理系数；

Cs—划窝深度因子；

Us—加强垫因子。

以上参数与结构型式、材料、加工工艺及连接方式等因素有关，由文献［3］相关图表查得。

根据有限元分析结果分别对进气道隔板与口盖应力水平高处进行声疲劳寿命计算。其中口盖连接区最高应力值为2.30MPa，再由结构材料和连接形式取DSRjz为51.7MPa，取As、Bs、Cs、Us分别为1.0、1.0、1.0、1.4；则DSR估算值为72.38MPa。通过文献查得铝合金简单试件声疲劳S-N曲线，铝合金结构斜度参数s约为1.65。则进气道结构声疲劳寿命为：

而进气道隔板最高应力值为4.78Mpa，根据结构材料和连接形式取DSRjz为51.7MPa，取As、Bs、Cs、Us分别为0.95、1.0、0.9、1.4；则DSR估算值为61.88MPa。由文献查得铝合金简单试件声疲劳S-N曲线，铝合金结构斜度参数s约为1.65。则进气道结构声疲劳寿命为：

从计算结果可以看出，口盖连接区的抗声疲劳性能较进气道隔板处的强，但是由于口盖区是通过螺钉连接，且处于进气道外蒙皮处，在高应力区容易产生可观察的螺钉松动及掉落现象，而隔板位于进气道与外蒙皮之间，由噪声激励引起的破坏现象不容易被发现，而且飞机飞行时间短，远未达到飞机目标寿命，声疲劳破坏还未显现出来，当然，如果口盖螺钉灌胶不足或连接不紧密的话，由噪声激励导致的螺钉松动或掉落现象就会提前暴露。

6 结语

本文针对某型飞机进气道口盖区螺钉松动、掉落的现象，建立进气道整体有限元模型，并通过Bush单元来定义结构连接，进行结构噪声响应分析和声疲劳寿命估算，由上述分析可知，通过建立更为细节的有限元模型能够很好的反映结构整体刚度对结构声响应影响，而且结构声响应结果和声疲劳寿命估算结果与结构破坏现象吻合较好。

[1]刘景光，朱广荣.有限元法在声疲劳分析DSR法中的应用技术研究[J].全国振动理论及应用，2011.

[2]徐绯，肖寿庭.结构声疲劳寿命估算的功率谱密度法[J].机械强度，1996.

[3]俞树奎等.飞机结构耐久性及损伤容限设计手册，第二册，飞机结构的疲劳分析[M].北京:航空航天工业部技术研究院，1989.

[4]姚起航，杨学勤.飞机结构声疲劳设计手册[M].北京:航空工业出版社，1998.

[5]张秀义.某型飞机进气道结构声疲劳研究[J].飞机设计，1994.

[6]张正平，任方等.飞机噪声技术研究[J].航空学报，2008.

>>>作者简介

龚思楚，男，1987年出生，2012年毕业于哈尔滨工业大学，工程师，现从事飞机强度设计工作。

Technical Study on Sonic Fatigue Analysis of Intake structure on Certain Aircraft

Gong Sichu,Li Sen,Zhang Xianzheng,Mei Lixia
(AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024)

On certain type of aircraft,the phenomenon of screw loosing and falling in the connecting region around air intake cover is happened.On this paper,the finite element technique and DSR method are used to conduct the sonic fatigue analysis so as to establish the finite element model for the whole air intake.Bush element is also used to define the screw in connecting region.The model is detailed to reflect the effect on structural sonic response from overall stiffness of the structure,the result of analysis shows that the weak part in anti-sonic fatigue on intake structure fits well the damaged part of that structure.

sonic fatigue;stochastic response analysis Bush element;DSR method

2016-04-19）