一种用于机载外挂件振动试验的支撑系统及其设计方法与流程

本发明涉及航空试验领域，更具体地，涉及一种用于机载外挂件振动试验的支撑系统及其设计方法。

背景技术：

对于机载外挂件，飞行时受到飞机振动传递与气动力作用，会承受一定振动环境，对其结构强度造成影响。为了保证产品使用安全可靠性，对于悬挂在飞机上的产品，都需要开展挂机振动环境试验考核。如果通过真实地面模拟试验，那么就能对产品进行有效考核，保证在使用中不会产生破坏，从而保证产品有足够的动强度。

机载外挂件悬挂到飞机上后，受飞机边界影响，其动力学特性会发生变化。为了更加真实地进行考核，需要对飞机的边界进行模拟。国军标gjb150a指出，通过直接将机载外挂件刚性连接到振动台上的方式是不合适的，由于有反作用的影响，试验会存在很大的失真。可以设计一个结构支撑件，来模拟机载外挂件的悬挂边界影响。结构支撑件的等效质量、重量和转动惯量应该适中，如果结构支撑件太重或惯性太大，为了匹配试验的加速度响应，就要施加非真实的高动态弯曲力矩，外挂产品会承受过应力；如果结构支撑件太轻或惯性太小，外挂产品就会出现欠试验。

技术实现要素：

针对上述的技术问题，本发明提供一种用于机载外挂件振动试验的支撑系统及其设计方法。

第一方面，本发明提供一种机载外挂件支撑系统，包括：由大梁和配重组成的结构支撑件、挂架转接装置和自由悬吊装置；所述挂架转接装置分别与所述结构支撑件的大梁及承载外挂件的挂架相连，用于间接将所述外挂件安装在结构支撑件上；所述自由悬吊装置与所述结构支撑件相连，用于将所述结构支撑件、所述挂架转接装置、所述挂架及外挂件的组合体悬吊起来，呈自由模拟状态。

第二方面，本发明提供一种机载外挂件支撑系统设计方法，包括：s1，建立外挂件的有限元模型，通过模态试验分析，获取外挂件自由状态下的低阶弯曲模态参数，并根据所述低阶弯曲模态参数修正外挂件的有限元模型；s2，建立外挂件和结构支撑件的简化模型并进行模态分析，通过调整结构支撑件尺寸的参数使得简化模型的低阶模态频率与挂机状态下的模态频率相近；s3，建立调整后获得的结构支撑件，及外挂件的详细有限元模型并进行模态分析，根据获得的模态参数与挂机状态下的模态参数的匹配情况，确定所述支撑系统是否满足要求。

其中，在所述s1和所述s2之间还包括：根据安装接口要求、外挂件重量和试验载荷，设计满足试验承载强度的大梁。

其中，在所述s1与所述s2之间还包括：通过模态试验分析，获取挂机状态下支撑系统与外挂件的模态参数，所述模态参数包括模态频率和模态振型。

其中，在所述s2和所述s3之间还包括：根据试验条件，对所述调整后获得的大梁的承载强度进行校核；若校核结果为不合符试验条件，则重新对所述大梁进行设计。

其中，所述s3之后还包括：根据挂架连接要求，设计与所述挂架相匹配的挂架转接装置，并对所述挂架转接装置进行强度校核与模态校核。

其中，所述机载外挂件支撑系统设计方法还包括：根据获得的结构支撑件、挂架转接装置、挂架及外挂件组合的质量，进行自由悬吊，设计满足试验频率要求的自由悬吊装置。

其中，所述s3中根据获得的模态参数与挂机状态下的模态参数的匹配情况包括：根据获得的偏航模态参数与挂机状态下的偏航模态参数的匹配情况；以及获得的俯仰模态参数与挂机状态下的俯仰模态参数的匹配情况。

其中，所述s2中的简化模型包括：外挂件质量和转动惯量的简化模型。

第三方面，本发明提供一种机载外挂件支撑系统的设计装置，包括：模型修正模块，用于建立外挂件的有限元模型，通过模态试验分析，获取外挂件自由状态下的低阶弯曲模态参数，并根据所述低阶弯曲模态参数修正外挂件的有限元模型；分析调整模块，用于对外挂件和结构支撑件的简化模型，进行有限元计算，调整结构支撑件尺寸参数，使得简化模型的低阶模态频率与挂机状态下的模态频率相近；分析确定模块，用于对调整后获得的结构支撑件，及外挂件的有限元详细模型进行模态分析，并根据获得的模态参数与挂机状态下的模态参数的匹配情况，确定所述支撑系统是否满足要求。

本发明提供的一种用于机载外挂件振动试验的支撑系统及其设计方法，利用结构支撑件来模拟外挂件安装在飞机上的动力学耦合效应，通过真实的边界模拟开展外挂件挂机振动地面试验，可以有效考核外挂件的动强度，保证外挂件的上机安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用于机载外挂件振动试验的支撑系统结构简图；

图2为本发明实施例提供的用于机载外挂件振动试验的支撑系统设计方法的流程图；

图3a为本发明实施例提供的用于机载外挂件振动试验的支撑系统在偏航模态下的刚体模态示意图；

图3b为本发明实施例提供的用于机载外挂件振动试验的支撑系统在偏航模态下的弯曲模态示意图；

图4a为本发明实施例提供的用于机载外挂件振动试验的支撑系统在俯仰模态下的刚体模态示意图；

图4b为本发明实施例提供的用于机载外挂件振动试验的支撑系统在俯仰模态下的弯曲模态示意图；

图5为本发明实施例提供的用于机载外挂件振动试验的支撑系统设计装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的用于机载外挂件振动试验的支撑系统结构简图，如图1所示，该支撑系统包括：由大梁1和配重2组成的结构支撑件、挂架转接装置3和自由悬吊装置6。所述挂架转接装置3分别与结构支撑件的大梁1及承载外挂件5的挂架4相连，用于间接将所述外挂件5安装在结构支撑件上；所述自由悬吊装置6与所述结构支撑件相连，用于将所述结构支撑件、所述挂架转接装置3、所述挂架4及外挂件5的组合体悬吊起来，呈自由模拟状态。

具体地，在通过支撑系统将外挂件5悬挂在飞机上时，首先将外挂件5固定在挂架上，然后通过挂架转接装置3将挂架4悬挂在结构支撑件的大梁1上，例如，大梁可以为矩形大梁。然后通过自由悬吊装置6将大梁1支撑在试验室的固定基础7上，例如，自由悬吊装置6采用弹性支撑的方式将大梁1支撑在固定基础7上。

在本发明实施例中，利用结构支撑件来模拟外挂件安装在飞机上的动力学耦合效应，通过真实的边界模拟开展外挂件挂机振动地面试验，可以有效考核外挂件的动强度，保证外挂件的上机安全。

图2为本发明实施例提供的用于机载外挂件振动试验的支撑系统设计方法的流程图，如图2所示，该方法包括：s1，建立外挂件的有限元模型，通过模态试验分析，获取外挂件自由状态下的低阶弯曲模态参数，并根据所述低阶弯曲模态参数修正外挂件的有限元模型；s2，利用大梁与配重来设计结构支撑件，建立外挂件和结构支撑件的简化模型，进行有限元计算，调整结构支撑件尺寸参数，使得简化模型的低阶模态频率与挂机状态下的模态频率相近；s3，建立调整后获得的结构支撑件，及外挂件的有限元详细模型，进行模态分析，并根据获得的模态参数与挂机状态下的模态参数的匹配情况，确定所述支撑系统是否满足要求。所述s2中的简化模型包括：外挂件质量和转动惯量的简化模型。

其中，模态分析是研究结构动力特性一种方法，一般应用在工程振动领域。其中，模态是指机械结构的固有振动特性，每一个模态都有特定的固有频率(即模态频率)、阻尼比和模态振型。分析这些模态参数的过程称为模态分析。按计算方法，模态分析可分为计算模态分析和试验模态分析。

其中，配重是用来平衡机器某一运动部件的重物，如塔式起重机的平衡。

在数学中，有限元法(fem，finiteelementmethod)是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。求解时对整个问题区域进行分解，每个子区域都成为简单的部分，这种简单部分就称作有限元。

其中，简化模型(simplifiedmodel)，也可以称之为模型简化，简单来说是指去掉模型中不显著的项，通过减少项数使模型更容易使用，或者是指减少模型的复杂度，使模型更容易计算。

具体地，在对挂机状态的外挂件进行挂机振动试验时，可以将外挂件安装在支撑系统(即悬挂边界)上，这样可以减少反作用力。在设计外挂件的支撑系统时，首先利用有限元分析软件建立外挂件的有限元模型，然后用柔性装置将外挂件悬吊起来，使外挂件呈自由-自由状态，通过模态试验分析，获得外挂件自由状态下前几阶弯曲模态参数(即，低阶弯曲模态参数)，该弯曲模态参数包括：固有频率和模态振型等。然后在建立的外挂件有限元模型基础上，通过数值模型与外挂件自由状态模态试验结果相结合的方式，对外挂件有限元模型进行修正。

其次，建立模拟外挂件质量与转动惯量的简化模型，结合结构支撑件模型，利用有限元分析软件进行模态分析，通过调节结构支撑件的配重2或大梁1的大小，使得简化模型的低阶模态频率与挂机状态下的模态频率相近，最后根据计算确定结构支撑件的大小。再建立计算得到的结构支撑件和外挂件的有限元详细模型，并利用有限元分析软件对该有限元模型进行模态分析，若该有限元模型的模态参数与挂机状态下的模态参数的误差在预设阈值范围内，例如，预设阈值为5％，则说明获得的支撑系统满足要求；若该有限元模型的模态参数与挂机状态下的模态参数的误差不在预设阈值范围内，则说明获得的支撑系统不满足要求，需要重新修改支撑系统中大梁和配重的参数或者材料等。

在本发明实施例中，通过调整结构支撑件的参数，将简化模型的模态频率调整为与挂机状态下的模态频率相似，以及对外挂件和调整后结构支撑件的有限元模型进行模态分析，根据分析得到的模态参数与挂机状态下的模态参数的匹配情况，确定所述支撑系统是否满足要求，通过模拟真实的飞机固有特性，然后以简化模型和详细模型来设计得到满足条件的支撑系统，从而满足外挂件挂机状态下的挂机振动试验要求，通过真实的模拟有效考核外挂件的动强度，保证挂机外挂件上机的安全性。

在上述实施例的基础上，在所述s1和所述s2之间还包括：根据安装接口要求、外挂件5重量和试验载荷，设计满足试验承载强度的大梁1。

具体地，在根据外挂件5自由状态下的模态参数修正外挂件自身的有限元模型后，需要根据外挂件5挂机时的安装接口要求、外挂件5重量和试验载荷，通过计算初步设计符合试验承载强度的结构支撑件大梁1。然后利用有限元分析软件，对外挂件5和设计得到的结构支撑件的简化模型进行模态分析，且通过调整结构支撑件参数，使得简化模型的低阶模态频率与挂机状态下的模态频率相近。最后，再利用有限元分析软件，对结构支撑件和外挂件5的有限元模型进行模态分析，并根据获得的模态参数与挂机状态下的模态参数的匹配情况，确定所述支撑系统是否满足要求。

在本发明实施例中，根据安装接口要求、外挂件重量和试验载荷，设计满足试验承载强度的大梁，为整个支撑系统的设计提供前提条件，从而设计得到能够满足外挂件挂机状态下的挂机振动试验要求的支撑系统，通过真实的模拟，有效考核外挂件的动强度，保证挂机外挂件上机的安全性。

在上述实施例的基础上，在所述s1与所述s2之间还包括：通过试验模态分析，获取挂机状态下支撑系统与外挂件的模态参数，所述模态参数包括模态频率和模态振型。

具体地，在将简化模型的低阶模态频率调节至与挂机状态下的模态频率相近之前，需要获取挂机状态下的模态参数。将外挂件按挂机状态安装在飞机上，通过试验模态分析，获得挂机状态下外挂件的前几阶弯曲模态参数(即低阶弯曲模态参数)，以及支撑系统与外挂件的低阶刚体模态参数，这些模态参数都包括：模态频率和模态振型。然后通过调节结构支撑件参数，将有限元分析得到的简化模型的低阶模态频率调整为与挂机状态下支撑系统与外挂件的模态频率相似，并根据有限元模型的模态参数与挂机状态下支撑系统与外挂件的模态参数的匹配情况，确定支撑系统是否满足要求。

在本发明实施例中，通过试验模态分析，获取挂机状态下的模态频率和模态振型，为设计符合要求的支撑系统提供基础，使得设计得到的支撑系统能够满足外挂件挂机状态下的挂机振动试验要求，通过真实的模拟，有效考核外挂件的动强度，保证挂机外挂件上机的安全性。

在上述实施例的基础上，在所述s2和所述s3之间还包括：根据试验条件，对所述大梁1的承载强度进行校核；若校核结果为不合符试验条件，则重新对所述大梁1进行设计。

其中，强度在力学上是指材料在外力作用下抵抗破坏(变形和断裂)的能力，强度是机械零部件首先应满足的基本要求。

具体地，在通过调整大梁1两端的配重2大小，使得简化模型的低阶模态频率与挂机状态下的模态频率相近之后，需要根据试验条件对大梁1进行强度计算，例如，将飞机边界的振动谱型作为试验条件输入有限元分析软件进行强度计算，会得到大梁1的应力分布，以及所选择的大梁1是否安全等。根据强度计算的结果，对所选大梁1的承载强度进行复核，若所选大梁1的承载强度满足要求，则不需对大梁1的尺寸或材料进行修改；若所选大梁1的承载强度不能满足要求，则需要重新对大梁1进行设计。

在本发明实施例中，通过根据试验条件，对所述大梁的承载强度进行校核，使得整个支撑系统的承载强度能够满足要求，这样设计得到的支撑系统，能够满足大型外挂件挂机状态下的挂机振动试验要求，通过真实的模拟，有效考核外挂件的动强度，保证挂机外挂件上机的安全性。

在上述实施例的基础上，所述s3之后还包括：根据挂架4的连接要求，设计与所述挂架4相匹配的挂架转接装置3，并对所述挂架4进行强度校核与模态校核。

其中，挂架是将外挂件悬挂起来的部件，通过挂架转接装置与大梁相连。

具体地，在调整好结构支撑件参数，使得简化模型的低阶模态频率与所述挂机状态下的模态频率相近，以及使得有限元模型的模态参数与挂机状态下的模态参数相匹配之后，还需要根据挂架4的连接要求，例如，根据连接角度、挂架的尺寸等，设计一个与该挂架4配套使用的挂架转接装置3，参考图5。使得该挂架4通过挂架转接装置3与大梁1相连，最终使得外挂件5能够成功的安装在飞机上。在完成挂架转接装置3的设计后，还需要对挂架4进行强度校核与模态校核，例如，通过有限元分析软件对挂架4的进行强度校核和模态校核，复核挂架4在外挂件挂机状态下是否能够达到承载外挂件的要求。

在本发明实施例中，根据挂架连接要求，设计与所述挂架相匹配的挂架转接装置，并对所述挂架进行强度校核，使得挂架和挂架转接装置在外挂件挂机状态下，均能够满足要求，通过真实的模拟，有效考核外挂件的动强度，保证挂机外挂件上机的安全性。

在上述实施例的基础上，所述设计方法还包括：根据获得的结构支撑件、挂架转接装置3、挂架4、外挂件5组合的质量，进行自由悬吊，从而设计满足试验频率要求的自由悬吊装置6。

具体地，本发明实施例中的支撑系统包括大梁1、配重2、挂架转接装置3和自由悬吊装置6，参考图5。上述各实施例已经获得了大梁1、配重2、挂架转接装置3和挂架4的质量，结合外挂件的质量对整个支撑系统进行自由悬吊设计，例如，采用弹性支撑的方式模拟自由悬吊。从而选择满足试验频率要求的自由悬吊装置6，其中，试验频率为试验条件中的参数，对于不同的外挂件产品有不同的频率要求，例如，本发明实施例中试验频率取模态分析中一阶频率的三分之一，但并不限制本发明的保护范围。然后在外挂件5通过挂架4安装在支撑系统之后，支撑系统再通过自由悬吊装置6支撑在飞机的固定基础7上。

在上述实施例的基础上，所述s3中根据获得的模态参数与挂机状态下的模态参数的匹配情况包括：根据获得的偏航模态参数与挂机状态下的偏航模态参数的匹配情况；以及获得的俯仰模态参数与挂机状态下的俯仰模态参数的匹配情况。

其中，偏航是飞机绕机体坐标系竖轴的短时旋转运动。竖轴通过飞机重心在飞机对称平面内并垂直于纵轴。偏航运动的主要参数有偏航角、偏航角速度、偏航角加速度。偏航运动通过踩脚蹬使方向舵偏转产生绕飞机重心的偏航力矩来实现。

具体地，在利用有限元软件对结构支撑件和外挂件的有限元详细模型进行模态分析时，为了使得支撑系统能够满足外挂件挂机状态下的振动试验要求，需要获得偏航状态下的低阶刚体模态参数，如图3a所示，以及偏航状态下的弯曲模态参数，如图3b所示；以及俯仰状态下的刚体模态参数，如图4a所示，以及俯仰状态下的弯曲模态参数，如图4b所示。并将模态分析获得的偏航模态参数与挂机状态下的偏航模态参数进行匹配，将俯仰模态参数与挂机状态下的俯仰模态参数进行匹配，并根据匹配情况来确定获得的支撑系统是否满足要求，若偏航模态参数与俯仰模态参数均匹配，则说明该支撑系统满足要求；否则，需要重新设计支撑系统。

在本发明实施例中，通过根据获得的偏航模态参数与挂机状态下的偏航模态参数的匹配情况；以及获得的俯仰模态参数与挂机状态下的俯仰模态参数的匹配情况的匹配情况，来确定支撑系统是否满足要求，这样可以使设计得到的支撑系统满足大型外挂件挂机状态下的挂机振动试验要求，通过真实的模拟，有效考核外挂件的动强度，保证挂机外挂件上机的安全性。

图5为本发明实施例提供的用于机载外挂件振动试验的支撑系统设计装置的结构框图，如图5所述，该设计装置包括：模型修正模块501、分析调整模块502和分析确定模块503。模型修正模块501用于建立外挂件的有限元模型，通过模态试验分析，获取外挂件自由状态下的低阶弯曲模态参数，并根据所述低阶弯曲模态参数修正外挂件的有限元模型；分析调整模块502，用于对外挂件和结构支撑件的简化模型，进行有限元计算，调整结构支撑件尺寸参数，使得简化模型的低阶模态频率与挂机状态下的模态频率相近；分析确定模块503，用于对调整后获得的结构支撑件，及外挂件的有限元详细模型进行模态分析，并根据获得的模态参数与挂机状态下的模态参数的匹配情况，确定所述支撑系统是否满足要求。

具体地，在设计外挂件的支撑系统时，首先利用有限元分析软件建立外挂件的有限元模型，然后用柔性装置将外挂件悬吊起来，使外挂件呈自由-自由状态，模型修正模块501通过试验模态分析，获得外挂件自由状态下前几阶弯曲模态参数(即，低阶弯曲模态参数)，该弯曲模态参数包括：固有频率和模态振型等。然后模型修正模块501在建立的外挂件有限元模型基础上，通过数值模型与外挂件自由状态模态试验结果相结合的方式，对外挂件的有限元模型进行修正。其次，建立模拟外挂件质量与转动惯量的简化模型，分析调整模块502结合大梁对该简化模型进行模态分析，且在大梁的两端设置一定的配重2，通过调节结构支撑件的大小使得简化模型的低阶模态频率与挂机状态下的模态频率相近。最后根据计算获得的结构支撑件，结合外挂件建立有限元详细模型，分析确定模块503对该有限元模型进行模态分析，例如，获得偏航状态的刚体模态参数和弯曲模态参数，如图3a和图3b所示；以及获得俯仰状态的刚体模态参数和弯曲模态参数，如图4a和图4b所示。然后分析确定模块503将模态分析获得的偏航模态参数与挂机状态下的偏航模态参数进行匹配，将俯仰模态参数与挂机状态下的俯仰模态参数进行匹配，并根据匹配情况来确定获得的支撑系统是否满足要求。

在本发明实施例中，通过模型修正模块获取外挂件自由状态下的低阶弯曲模态参数，并根据所述低阶弯曲模态参数修正外挂件的有限元模型，以及通过分析调整模块调整结构支撑件的大小，使得简化模型的低阶模态频率与挂机状态下的模态频率相近；以及分析确定模块根据有限元模型的模态参数与挂机状态下的模态参数的匹配情况，确定所述支撑系统是否满足要求。这样设计得到的支撑系统，能够满足外挂件挂机状态下的挂机振动试验要求，通过真实的边界模拟开展外挂件挂机振动地面试验，可以有效考核外挂件的动强度，保证外挂件上机的安全性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。