一种飞机上安装的多轴旋转设备动载荷分析方法与流程

本发明涉及飞机的动载荷设计领域，具体是一种根据理论力学原理，通过对有限元模型执行nastran气动弹性响应分析并确定飞机上安装的多轴旋转设备动载荷的分析方法。

背景技术：

1、飞机设计中,用于侦查、监测目的探测监控设备和导航设备，往往是一个由绕多向轴转动、多转动部件构成的光电传感器成品部件(如红外线转塔、雷达和陀螺等)，安装在飞机外部或内部。飞机发动机、辅助动力装置、电机马达等的转子通常是一个由绕单轴旋转的转动部件。由于转动部件会在飞机安装、支撑结构处产生陀螺力矩和附加载荷，故飞机设计规范中对飞机发动机安装结构强度设计都有具体要求，辅助动力装置、电机马达等设备安装结构也可以参考这些设计原则。这些设计要求一般针对单轴转子、单向高速转动且质量较大的成品设备。

2、但是现代飞机上还装有具备绕多向轴转动、多转动部件构成的光电传感器成品，例如红外线转塔，设备由上部、下部转动部件组成。上部可以绕垂直轴作有规律的往复转动运动，部件的上端面与飞机结构对接；下部可以绕水平轴作大幅度有规律的转动运动。用于侦测的光电传感器安装在下部件上，通过控制上部、下部部件的角度转动规律，就能实现较大空间范围的光电监测功能。此类设备工作时会产生比单轴转子、单向转动设备更复杂的动力学响应问题；而且此类设备往往安装在机头附近，当考虑机体结构弹性时，其产生的动载荷就会成为一个振源，会干扰飞行员工作，所以对其支持、安装结构提出了更苛刻的要求。

3、飞机设计规范中要求考虑此类设备安装引起的局部振动量值限定在一点范围之内，不能出现局部过度振动，考虑机械旋转部件的不平衡，产生附加惯性过载和工作时冲击载荷，但是没有更具体的分析方法说明。

4、现有技术存在问题：

5、1.只能建立单轴旋转设备的运动学模型和质量模型，且质量特性无法随时间变化和协调一致，计算惯性力的准确性精确度相对较差；

6、2.将多轴旋转设备简化为刚体转子直接求解陀螺力矩，无法模拟飞机弹性，也无法得到转动部件的时变载荷；

7、3.以上设计分析方法和解决问题的技术途径都较为单一，设计数据可靠性也较差，无法满足飞机非定常气动力作用的条件下，弹性体的动响应求解需求。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提出一种飞机上安装的多轴旋转设备动载荷分析方法,该方法就是围绕解决多轴旋转设备在考虑机身弹性情况下的动力学响应技术问题，包括空中突风飞行环境和地面运动环境下的动响应，为设备安装动载荷、强度设计，以及振动预计提供技术途径。

2、一种飞机上安装的多轴旋转设备动载荷分析方法，所述的多轴旋转设备，包含转动部件a和转动部件b，转动部件a与飞机结构转动连接，转动部件b与部件a转动连接，已知该多轴旋转设备的几何模型，已知多轴旋转设备各转动部件的各质量分块的分块质量特性，其特征在于包含以下内容：1)建立多轴旋转设备的运动学模型,在机体参考坐标系下描述多轴旋转设备随时间变化的运动规律；2)建立在机体参考坐标系下描述各转动部件的质量模型,在机体参考坐标系下描述各转动部件的各质量分块的分块质量特性、各质量分块的质心模型、各质量分块的转动惯量随时间变化的规律；3)依据理论力学原理，考虑多轴旋转设备在机身安装点处的运动参数和质量特性，计算得到机体参考坐标系中各转动部件的附加动载荷，可实现考虑机身弹性响应时，在空中突风飞行环境下计算得到各转动部件的时变载荷和动响应参数。

3、在上述步骤1)中建立多轴旋转设备的运动学模型的具体做法如下：首先建立飞机机体右手坐标系，将该坐标系看成固连于飞机的坐标系，原点通常取在飞机质心；建立一个转动部件a的动坐标系，其竖轴是转动部件a的旋转轴，绕该轴的转角是时间的函数，初始时间时其纵轴与机体坐标系纵轴平行、同方向，该转动部件a的动坐标系原点坐标在机体坐标系下定义,转动部件a上任一点在动坐标系中坐标不随时间变化；建立一个转动部件b的动坐标系，其横轴是转动部件b的旋转轴，绕该轴的转角也是时间的函数，初始时间时其纵轴与机体坐标系纵轴平行、同方向，其横轴与机体坐标系横轴平行、同方向，该转动部件b动坐标系的原点坐标在转动部件a的动坐标系下定义,转动部件b上任一点在动坐标系中坐标也不随时间变化；根据坐标变换原理，将转动部件a和转动部件b上的点坐标转化为机体坐标系下的坐标，对该坐标进行一次微分、二次微分可以得到在机体坐标系下的转动部件a和转动部件b上任一点的速度和加速度，通过类似原理，可得到转动部件a和转动部件b的角速度、角加速度。

4、在上述步骤2)中建立在机体坐标系下描述各转动部件的质量模型的具体做法如下：以多轴旋转设备中转动部件b为例，考虑转动部件b的实际质量分布，将其合理划分为多个质量分块，在转动部件b的动坐标系中定义各质量分块的质量、各质量分块的质心坐标、各质量分块的质心处转动惯量、惯性积；对每个质量分块，将其质心坐标转换到机体坐标系下；将转动部件b的动坐标系坐标轴方向、质量分块质心处转动惯量、惯性积转换到机体坐标系坐标轴方向；假设多轴旋转设备的转动部件根部在某点受到支撑，该点在机体坐标系下的坐标为位于多轴旋转设备垂直转轴线上，用移轴定理，可以得出在该支撑点处，转动部件b某个质量分块在与机体坐标系坐标轴平行方向的转动惯量，这样就可以计算出各转动部件的质心位置、转动惯量随时间的变化规律，这些参数是计算惯性力的基本数据。

5、在上述步骤3)中计算得到机体参考坐标系中转动部件的附加动载荷的具体做法如下：根据飞机结构建立有限元模型，首次执行nastran有限元分析的气动弹性响应分析模块，不计入各转动部件的运动，得到安装点处的运动响应参数；根据运动响应参数和多轴旋转设备的转动运动规律，计算因转动部件转动产生的附加动载荷，并将此附加动载荷作为外加载荷施加到有限元模型中，再次执行nastran有限元分析的气动弹性响应分析模块，可得到计入转动部件因转动产生的最终附加动载荷，即动载荷时间历程，按照上述技术步骤，就能求解得到飞机上安装的多轴旋转设备动载荷，进一步可以进行常规的强度计算和振动特性评估。

6、本发明的有益效果在于:1)在机体参考坐标系下建立多轴旋转设备的运动学模型和各转动部件的质量模型，能够提随时间变化的、协调一致的、和更精确的质量特性，提高了计算惯性力的准确性；2)充分利用已有的飞机结构有限元模型，模拟飞机弹性，依据理论力学原理，计算在机体参考坐标系下各转动部件随时间变化的附加惯性力和惯性力矩，将其以恰当的外载荷激励力施加于飞机结构有限元模型，形成新有限元模型，通过二次执行nastran有限元分析的气动弹性响应分析模块的方式，从而得到转动部件的时变动载荷；3)最大限度利用的飞机结构有限元模型的价值和nastran有限元分析软件功能，大大节省了设计、分析成本，简化了这个复杂问题的解决技术途径，并能得到可靠的设计数据。

7、以下结合实施例附图对本申请做进一步详细描述。

技术特征：

1.一种飞机上安装的多轴旋转设备动载荷分析方法，所述的多轴旋转设备，包含转动部件a和转动部件b，转动部件a与飞机结构转动连接，转动部件b与部件a转动连接，已知该多轴旋转设备的几何模型，已知多轴旋转设备各转动部件的各质量分块的分块质量特性，其特征在于包含以下内容：1)建立多轴旋转设备的运动学模型,在机体参考坐标系下描述多轴旋转设备随时间变化的运动规律；2)建立在机体参考坐标系下描述各转动部件的质量模型,在机体参考坐标系下描述各转动部件的各质量分块的分块质量特性、各质量分块的质心模型、各质量分块的转动惯量随时间变化的规律；3)依据理论力学原理，考虑多轴旋转设备在机身安装点处的运动参数和质量特性，计算得到机体参考坐标系中各转动部件的附加动载荷，可实现考虑机身弹性响应时，在空中突风飞行环境下计算得到各转动部件的时变载荷和动响应参数。

2.如权利要求1所述的飞机上安装的多轴旋转设备动载荷分析方法，其特征在于，在步骤1)中建立多轴旋转设备的运动学模型的具体做法如下：首先建立飞机机体右手坐标系，将该坐标系看成固连于飞机的坐标系，原点通常取在飞机质心；建立一个转动部件a的动坐标系，其竖轴是转动部件a的旋转轴，绕该轴的转角是时间的函数，初始时间时其纵轴与机体坐标系纵轴平行、同方向，该转动部件a的动坐标系原点坐标在机体坐标系下定义,转动部件a上任一点在动坐标系中坐标不随时间变化；建立一个转动部件b的动坐标系，其横轴是转动部件b的旋转轴，绕该轴的转角也是时间的函数，初始时间时其纵轴与机体坐标系纵轴平行、同方向，其横轴与机体坐标系横轴平行、同方向，该转动部件b动坐标系的原点坐标在转动部件a的动坐标系下定义,转动部件b上任一点在动坐标系中坐标也不随时间变化；根据坐标变换原理，将转动部件a和转动部件b上的点坐标转化为机体坐标系下的坐标，对该坐标进行一次微分、二次微分可以得到在机体坐标系下的转动部件a和转动部件b上任一点的速度和加速度，通过类似原理，可得到转动部件a和转动部件b的角速度、角加速度。

3.如权利要求1所述的飞机上安装的多轴旋转设备动载荷分析方法，其特征在于，在步骤2)中建立在机体坐标系下描述各转动部件的质量模型的具体做法如下：以多轴旋转设备中转动部件b为例，考虑转动部件b的实际质量分布，将其合理划分为多个质量分块，在转动部件b的动坐标系中定义各质量分块的质量、各质量分块的质心坐标、各质量分块的质心处转动惯量、惯性积；对每个质量分块，将其质心坐标转换到机体坐标系下；将转动部件b的动坐标系坐标轴方向、质量分块质心处转动惯量、惯性积转换到机体坐标系坐标轴方向；假设多轴旋转设备的转动部件根部在某点受到支撑，该点在机体坐标系下的坐标为位于多轴旋转设备垂直转轴线上，用移轴定理，可以得出在该支撑点处，转动部件b某个质量分块在与机体坐标系坐标轴平行方向的转动惯量，这样就可以计算出各转动部件的质心位置、转动惯量随时间的变化规律，这些参数是计算惯性力的基本数据。

4.如权利要求1所述的飞机上安装的多轴旋转设备动载荷分析方法，其特征在于，在步骤3)中计算得到机体参考坐标系中转动部件的附加动载荷的具体做法如下：根据飞机结构建立有限元模型，首次执行nastran有限元分析的气动弹性响应分析模块，不计入各转动部件的运动，得到安装点处的运动响应参数；根据运动响应参数和多轴旋转设备的转动运动规律，计算因转动部件转动产生的附加动载荷，并将此附加动载荷作为外加载荷施加到有限元模型中，再次执行nastran有限元分析的气动弹性响应分析模块，可得到计入转动部件因转动产生的最终附加动载荷，即动载荷时间历程，按照上述技术步骤，就能求解得到飞机上安装的多轴旋转设备动载荷，进一步可以进行常规的强度计算和振动特性评估。

技术总结
一种飞机上安装的多轴旋转设备动载荷分析方法，所述的多轴旋转设备，包含转动部件A和转动部件B，转动部件A与飞机结构转动连接，转动部件B与部件A转动连接，建立多轴旋转设备的运动学模型,在机体参考坐标系下描述多轴旋转设备随时间变化的运动规律；建立在机体参考坐标系下描述各转动部件的质量模型,在机体参考坐标系下描述各转动部件的各质量分块的分块质量特性、各质量分块的质心模型、各质量分块的转动惯量随时间变化的规律；依据理论力学原理，考虑多轴旋转设备在机身安装点处的运动参数和质量特性，计算得到机体参考坐标系中各转动部件的附加动载荷，可实现考虑机身弹性响应时，在空中突风飞行环境下计算得到各转动部件的时变载荷和动响应参数。

技术研发人员：党西军,郭天天,杨全,刘伟,岳春霞
受保护的技术使用者：中航西安飞机工业集团股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17