专利名称：预测飞行器的结构的动态性能的方法
技术领域：
本发明涉及一种预测飞行器的结构的动态性能的方法，该方法可以预测该结构的 至少一部分由于飞行器的某些旋转装置如发动机、发电机等的转子引起的振动而承受的振 动，以避免或减轻这些振动。
背景技术：
在装有带转子的发动机(喷气推进器、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机等)的 飞行器上，发动机的旋转元件的任何不平衡都会产生振动，这些振动传递给发动机的外壳， 并且在飞行器的结构中传播，直到机身。机身的随后振动损害乘客的舒适性，使飞行器的结 构疲劳，并可能由于很难阅读飞行仪表而危及安全。带转子的飞行器发动机一般包括一个或几个转子，每个转子包括一轴和一涡轮机 和/或一压缩机的多个叶片或桨叶，所述轴被至少两个轴承引导转动，所述至少两个轴承 一般为滚动轴承。每个轴承其中特别是包括轴承座和接受所述轴承座的轴承支座。该轴承 支座可以是固定的，即固定安装在发动机的外壳上，或者组成该发动机的外壳的一部分，或 者该轴承支座可以是转动的(两个同心轴之间的轴承的情况)。运行时，转子的振动至少部 分地被传递给支撑该转子的每个轴承支座。在固定的轴承支座的情况下，轴承支座承受的 振动直接传递给飞机的结构。为了限制振动在旋转装置的转子与飞行器的结构之间的传递，已知在带有支撑所 述转子的固定座的每个轴承的轴承座与轴承支座之间形成油膜或其它润滑流体膜。该膜在 本文中称为减振膜，通常也称为“Squeeze FiImDamper”或SFD。当转子以及因此轴承径向 移动时，减振膜被压缩在轴承座与轴承支座之间。压缩区中增加的流体压力在轴承座上施 加反作用力，该反作用力有将轴承座带到中间位置的趋势。因此，已知的减振膜有使传递给飞机的结构的振动被动缓冲的作用，但是不能达 到消除这些振动。得到的减振作用尤其取决于转子的振动频率。发明者证实，该减振作用 对高频降低，尤其是对大于20Hz的频率降低，对接近5Hz的频率，该减振作用也很小。当得到的减振作用很小时，确切地说，对另外对应于飞机机身的共振模式的频率， 也出现问题。在这种情况下，固定轴承支座承受的减振很小的振动可能在某些飞行条件下 在机身中引起足以影响乘客的舒适性和安全性的强烈振动。例如在机身长度较大并且直 径比较小的某些飞行器上，对大约5Hz的发动机的振动频率以及在对应于飞行速度大于 350km/h(即大约 190KCAS- "Knots Calibrated AirSpeed”)和大于 6000m 的高度的一定 部分的飞行领域中观察到该问题。由于SFD型减振膜的效果是不完善的，为了减小带转子的发动机引起的机身的振 动，已经实施了一些主动控制的补充措施。如此，EP 1 375 343描述了一种装置，该装置可 以通过响应相对机身对称的至少两个发动机承受的竖直和水平加速度来使飞行器的操纵 机构动作。通过位于发动机上的加速度仪测量两个发动机的每一个承受的加速度，并借助 测量的加速度和从飞行器的气动弹性模型预先建立的关系表计算用于定义操纵机构方向的控制命令。这种装置可以进一步减小机身的振动。但是，它仍不足以保证乘客在大尺寸飞行 器中的高度的安全水平和舒适水平，在这种飞行器中，在巡航阶段从5HZ就可以感到很大 的振动，尤其是在湍流的情况下。另外，还存在其它问题-目前为止，没有任何准确预测发动机或其它旋转装置在新型飞行器的机身上引 起的振动频率和振动幅度的方法；这些振动在飞行器的试验飞行时在飞行器的任何修改变 得复杂的阶段进行评价；-因此，设计师不可能提前考虑适当的矫正方法，如果这些振动还存在，也仅是引 起对飞行器的机身的结构进行极少的修改。
发明内容
本发明的目的在于通过提出一种可以以确定的方式预测旋转装置的至少一转子 承受的振动对飞行器结的构特别是对飞行器的机身结构的影响的分析方法来克服这些缺
点ο为此，本发明涉及一种预测飞行器的结构的动态性能的方法，所述飞行器包括至 少一称为按尺寸调整的(dimensiormant)旋转装置的旋转装置，希望评价该旋转装置对 飞行器的结构的称为关键部分的至少一部分——尤其是机身——的影响，每个按尺寸调整 旋转装置包括一个或几个转子，其中至少一转子被称为带固定座的轴承(palier achasie fixe)的至少一轴承引导转动，该带固定座的轴承包括固定轴承支座、嵌在所述轴承支座中 的互补的轴承座、和密封在所述轴承座与轴承支座之间的称为减振膜的流体膜。根据该方 法，使用称为总模型的飞行器的结构的数字模型，该总模型对每个按尺寸调整的旋转装置 包括所述按尺寸调整的旋转装置的称为基础模型的数字模型，该基础模型能够根据所述转 子的旋转速度和转子承受的干扰至少提供所述按尺寸调整的旋转装置的转子的振动频率。根据本发明的方法的特征在于-对每个带固定座的轴承，产生所述轴承的减振膜的非线性数字模型；-对每个按尺寸调整的旋转装置，将按尺寸调整的旋转装置的每个带固定座的轴 承的减振膜的模型纳入到所述按尺寸调整的旋转装置的基础模型中，以便在总模型中形成 所述按尺寸调整的旋转装置的称为有膜模型的数字模型；-在总模型中，将干扰施加给至少一按尺寸调整的旋转装置的至少一转子；-借助总模型，计算每个按尺寸调整的旋转装置的至少一转子的振动频率和在飞 行器的结构的关键部分中引起的相应振动频率，以便减缓或避免所述引起的振动。上述干扰可以包括按尺寸调整的旋转装置的每个转子的陀螺效应和不平衡的代 表性干扰。要注意的是，这些干扰可以施加在所述按尺寸调整的旋转装置的基础模型上 (即在减振膜模型纳入总模型前)，或优选施加在所述装置的有膜模型上。换句话说，可以 在一个或另一顺序中执行上面的第二段和第三段定义的步骤。本发明延伸到储存在信息载体上的计算机程序，所述机算机程序包括一些指令， 这些指令可以在该机算机程序在信息系统中装载和执行时实施根据本发明的方法。本发明 还涉及一种信息系统，该信息系统包括用于实施根据本发明的方法的部件。
因此，本发明首先在于考虑减振膜对飞行器的结构面对某些旋转装置的转子承受 的干扰的动态响应的影响。实际上，发明者观察到，这些减振膜显著地改善对旋转装置的振 动频率的响应，并因此改善对飞行器的结构中引起的振动频率，特别是对低频率。选择地和有利地，根据本发明的方法还具有以下特征中的一个或几个。使用的总模型和每个按尺寸调整的旋转模型的基础模型初始时都是有限元模 型。建立的每个减振膜模型初始时都是矩阵模型或有限元模型，或状态空间(espace d'etats)。有利地，将这些模型中的每一个转换为状态空间，然后在如此转换的总模型中形 成每个按尺寸调整的旋转模型的有膜模型。如前面解释的，对每个按尺寸调整的旋转装置，使用能够根据所述转子的旋转速 度至少提供所述按尺寸调整的旋转装置的转子的振动频率的基础模型。优选地，使用还能 够提供该转子的振动幅度的基础模型。优选地，使用能够根据所述装置的每个转子的旋转 速度提供按尺寸调整的旋转装置的每个转子的振动频率和振动幅度的基础模型。有利地，根据按尺寸调整的旋转装置的至少一转子的旋转速度，确定赋予所述按 尺寸调整的旋转装置或如有必要飞行器的结构的至少一参数以一值，以避免在飞行器的结 构的关键部分中引起的振动频率与所述关键部分的本身模式不符合。优选地，根据所述按 尺寸调整的旋转装置的至少一转子的旋转速度，确定赋予所述减振膜的或相应的轴承的至 少一参数以一值，以避免在飞行器的结构的关键部分中引起的振动频率与所述关键部分的 本身模式不符合。该参数可以在以下参数中选择减振膜的流体供给压力(la pression d’ alimentation en fluide du film amortisseur)、轴承的长度、所述轴承的轴承座与轴 承支座之间的径向间隙(考虑这些参数中的至少一个——优选考虑所有这些参数——建立 减振膜的模型)。对所述参数确定的值可以对按尺寸调整的旋转装置的转子的所有旋转速 度都是相同的，特别是如果该参数是结构参数(轴承的长度、径向间隙等)，一旦按尺寸调 整的装置建成，该参数是很难甚至不可能改变的。作为变型，如果参数(流体供给压力)在 飞行中是可调节的，则可以根据至少一按尺寸调整的旋转装置的至少一转子的旋转速度改 变参数的值。在所有下文中，用ε表示的“轴承的偏心度”指的是在t时刻轴承座的轴线与轴 承支座的轴线之间的分开距离与轴承座和轴承支座之间的径向间隙之比(该径向间隙相 当于当轴承座在轴承支座中对中并且它们各自的轴线重合时处于静止的轴承座的外周表 面与轴承支座的内周表面之间的间隙)。每个减振膜模型在以下一个或几个假设的基础上建立-流体为没有惯性、不可压缩并且粘度均勻的牛顿流体；-减振膜通过平面膜建立模型；由于膜的厚度——即径向尺寸，和长度——即沿旋 转元件的轴向方向的尺寸，相对于它的曲率半径非常小因此可以提出该假设；-轴承的偏心度被认为在轴承的整个长度上都是相同的，该偏心度等于轴承在所 述轴承的中间横向平面中的偏心度；因此减振膜施加在轴承座上的力在与所述轴承座的轴 线平行的同一直线的任何点上都是相同的；该假设可以将减振膜的模型缩减为两维模型 (不涉及沿轴承的轴向的坐标“Z”)；-轴承座的任何移动都分解为径向分量和切向分量；轴承座的移动的径向分量通 过沿与模型化的(mod6lis6)膜的平面垂直的轴线的移动建立模型；如模型化的，所述径向分量引起流体的压力分布，该流体的压力分布与该垂直轴线对称；轴承座的移动的切向分 量通过沿包含在模型化的膜的平面中的轴线的滑动建立模型；所述切向分量引起流体的压 力分布，该流体的压力分布与滑动的施加点通过的该轴线垂直的平面不对称。每个减振膜模型由于空腔现象可能存在而建立。因此，在一优选的版本中，本发明 其次在于，建立考虑空腔现象的全新的减振膜模型。为了建立每个减振膜模型，在以下假设的基础上建立假设不存在任何空腔现象的 无空腔模型和假设存在空腔现象的有空腔的模型-由于轴承支撑转子的不平衡，轴承座的轴线相对轴承支座的轴线偏心，并因此承 受围绕轴承支座的所述轴线的对中旋转，使得轴承座的速度的径向分量 被认为为零；-在有空腔模型中，用零替代任何预测的负压力值；-在有空腔模型中，当轴承座的轴线位于θ = π /2处时，一旦函数
权利要求
1.预测飞行器的结构的动态性能的方法，所述飞行器包括至少一称为按尺寸调整的旋 转装置的旋转装置，希望评价所述旋转装置对所述飞行器的结构的称为关健部分的至少一 部分的影响，每个按尺寸调整的旋转装置包括一个或几个转子，其中至少一转子(11)被称 为带固定座的轴承的至少一轴承(17、18)引导转动，所述带固定座的轴承包括固定轴承支 座(23)、嵌在所述轴承支座中的互补的轴承座(22)、和密封在所述轴承座与所述轴承支座 之间的称为减振膜的流体膜04)，在该方法中，使用称为总模型的所述飞行器的结构的数字模型(100)，所述总模型对每 个按尺寸调整的旋转装置包括所述按尺寸调整的旋转装置的称为基础模型的数字模型，所 述基础模型能够根据所述转子(11)的旋转速度(Ni)和所述转子承受的干扰至少提供所述 按尺寸调整的旋转装置的转子(11)的振动频率，该方法的特征在于-对每个带固定座的轴承(17、18)，产生所述轴承的减振膜04)的非线性数字模型 (104)；-对每个按尺寸调整的旋转装置，将按尺寸调整的旋转装置的每个带固定座的轴承的 减振膜的模型(104)纳入(10 到所述按尺寸调整的旋转装置的基础模型中，以便在所述 总模型中形成所述按尺寸调整的旋转装置的称为有膜模型的数字模型；-在所述总模型中，将干扰(106)施加(107)给至少一按尺寸调整的旋转装置的至少一 转子；-借助所述总模型，计算每个按尺寸调整的旋转装置的至少一转子的振动频率和在所 述飞行器的结构的关键部分中引起的相应振动频率，以便减缓或避免所述引起的振动。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，施加的干扰包括所述按尺寸调整的旋转装 置的每个转子的陀螺效应和不平衡的代表性干扰。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于-使用的所述总模型(100)和每个按尺寸调整的旋转装置的基础模型初始时都是有限 元模型，并且每个产生的减振膜模型(104)初始时都是矩阵模型，或有限元模型，或状态空 间；-将这些模型中的每一个转换(103、10幻为状态空间，然后在如此转换的所述总模型 (109)中形成每个按尺寸调整的旋转装置的有膜模型。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，对每个按尺寸调整的旋转装置 的每个减振膜，根据所述按尺寸调整的旋转装置的至少一转子的旋转速度，确定赋予所述 减振膜的或相应的轴承的至少一参数以一值，以便避免在飞行器的结构的关键部分中引起 的振动频率与所述关键部分的本身模式不符合，该参数在以下参数中选择减振膜的流体 供给压力、轴承的长度(L)、所述轴承座0 与所述轴承支座之间的径向间隙(C)。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，每个减震膜模型在以下假设的 基础上产生-流体为没有惯性、不可压缩并且粘度均勻的牛顿流体；-所述减振膜04)通过平面膜建立模型；-所述轴承的偏心度(ε )被认为在所述轴承(17、18)的整个长度上都是相同的；-所述轴承座0 的任何移动都被分解为径向分量和切向分量；所述轴承座的移动的径向分量通过沿与模型化的膜的平面垂直的轴线的移动建立模型；所述轴承座的移动的切 向分量通过沿包含在模型化的膜的平面中的轴线的滑动建立模型；
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，每个减振膜模型(104)由于空 腔现象可能存在而建立。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，为了建立每个减振膜模型，在以下假设的基 础上建立假设不存在任何空腔现象的无空腔模型和建设存在空腔现象的有空腔模型-由于所述轴承(17、18)支撑的转子的不平衡，所述轴承座0 的轴线相对所述轴承 支座的轴线偏心，并且因此承受围绕所述轴承支座的所述轴线的同心旋转，使得所述 轴承座得速度的径向分量 被认为为零；-在所述有空腔模型中，用零替代任何预测的负压力值；-在所述有空腔模型中，当所述轴承座的轴线位于θ = π/2处时，一旦函数、 e.smd^ Α.Pc.C2
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，为了形成每个按尺寸调整的旋 转装置的有膜模型-使用按尺寸调整的旋转装置的称为有减振模型的模型，所述有减振模型能够根据被 分析转子的旋转速度(Ni)提供所述按尺寸调整的旋转装置的称为被分析转子的至少一转 子(11)的振动频率和该被分析转子的每个带固定座的轴承(17、18)的偏心度(ε1、ε2), 在所述按尺寸调整的旋转装置的基础模型的基础上建立所述有减振模型，以便至少对所述 被分析转子的至少每个带固定座的轴承模拟线性减振作用；-以以下方式对所述转子的每一旋转速度计算所述被分析转子(11)的振动频率的称 为有空腔值的值*对所述被分析转子的每个带固定座的轴承(17、18)选择(50)所述轴承的偏心度的 初始值(S1)；*对所述被分析转子的每个带固定座的轴承(17、18)计算(51)由所述减振膜的有空 腔模型对所述轴承的偏心度选择的初始值(ε )提供的所述轴承的减振膜04)的减振系 数矩阵(C1)；*在所述按尺寸调整的旋转装置的有减振模型上进行被分析转子的带固定座的轴承 的偏心度的物理验证循环(53、54、55)，方式如下，开始时，使用前面计算的相应减振膜的减 振系数矩阵(C1)作为每个轴承的减振系数矩阵，然后在循环的每一轮增加这些系数的值， 直到所述按尺寸调整的旋转装置的有减振模型对每个轴承提供的轴承的偏心度值(ε η+1) 小于1 ；*对被分析转子的每个带固定座的轴承(17、18)计算(56)所述减振膜的有空腔模型 对物理验证循环后建立的轴承的偏心度值(ερ)提供的所述轴承的减振膜04)的减振系 数矩阵(Cp)和所述轴承的减振膜04)的刚性矩阵(Kfp)；*在所述按尺寸调整的旋转装置的有减振模型上进行所述被分析转子的带固定座的 轴承的偏心度的收敛循环(58、59、60) 开始时，使用前面计算的所述轴承的减振膜的减振系数矩阵(Cp)作为每个轴承的减 振系数矩阵，并且使用所述按尺寸调整的旋转装置的基础模型提供的轴承的刚性矩阵(Ks) 和前面计算的所述轴承的减振膜的刚性矩阵(Kfp)之和作为每个轴承的刚性矩阵； 然后，在循环的每一轮用所述膜的有空腔模型对前一轮建立的轴承的偏心度值 (ε η+1)提供的所述轴承的减振膜的减振系数矩阵(Cn+1)、和所述按尺寸调整的旋转装置的 基础模型提供的轴承的刚性矩阵(Ks)与所述减振膜的有空腔模型对前一轮建立的轴承的 偏心度值(εη+1)提供的所述轴承的减振膜的刚性矩阵(Kfn+1)之和替换所述循环的每一轮 的这些矩阵，直到所述按尺寸调整的旋转装置的有减振模型对每个轴承提供的偏心度值收 敛；*记录(61)所述按尺寸调整的旋转装置的有减振模型在所述收敛循环后对所述转子 的每一旋转速度提供的所述被分析转子振动频率的称为有空腔值的值；-同样地，对所述被分析转子的每一旋转速度计算(61)所述被分析转子的振动频率的 称为无空腔值的值；-为了对所述被分析转子的每一旋转速度计算所述被分析转子的振动频率值，使前面 计算的振动频率的有空腔值增加一百分比，并且使前面计算的振动频率的无空腔值增加一互补的百分比。
9.储存在信息载体上的计算机程序，所述计算机程序包括一些指令，这些指令使得能 够在该机算机程序在信息系统中装载和执行时实施权利要求1至8中任一项所述的方法。
10.信息系统，其特征在于，所述信息系统包括能够实施如权利要求1至8中任一项所 述方法的部件。
全文摘要
本发明涉及一种预测飞行器的结构的动态性能的方法，所述飞行器包括至少一旋转装置，该旋转装置包括至少一转子(11)，该转子(11)被包括减振流体膜(24)的至少一带固定座的轴承(17、18)引导转动，在该方法中使用飞行器的结构总数字模型，该总数字模型包括每个旋转装置的基础数字模型；建立每个减振膜的非线性数字模型(优选建立无空腔模型和有空腔模型)；将每个减振膜的模型纳入到总模型中；至少在旋转装置的转子上施加干扰；计算每个旋转装置的至少一转子的振动频率和在飞行器的结构的关键部分中引起的振动的相应频率。
文档编号F16C27/04GK102089540SQ200980119457
公开日2011年6月8日 申请日期2009年6月3日 优先权日2008年6月5日
发明者J·斯凯利, T·P·武黄 申请人:空中客车运营公司