Сравнительные частотные испытания подвесного топливного бака

Обеспечение безопасности полетов военных самолетов от явлений аэроупругости требует решения ряда проблем, связанных с уточнением их характеристик, в том числе для получения заключения по флаттеру и проведения летных испытаний. Комплекс таких расчетно-экспериментальных исследований включает моделирование вибрационного поведения подвесных устройств, установленных на самолете. Важное место в ряду исходных данных занимают основные динамические характеристики (ДХ - частоты, формы, логарифмические декременты собственных колебаний) подвесных топливных баков (ПТБ) летательных аппаратов, а также их зависимость от уровня заполнения ПТБ – h/h ₀.

Для самолета Як-130УБС (рис. 1) на экспериментальной базе комплекса прочности ЛА ФГУП «ЦАГИ» автором совместно с В.П. Фаянцевым были определены ДХ подвесного топливного бака, установленного на подкрыльевом пилоне, который, в свою оче-

редь, был вертикально по консольной схеме закреплен на силовом полу. При этом пилон с подвесным устройством оказывался повернутым на 180 вокруг оси ОХ относительно его положения на крыле самолета (рис. 2). Сам ПТБ был оснащен узлами крепления к подвесной системе крыла самолета и имел внутренние элементы (в частности, перегородки и устройство заправки/слива топлива).

Определение характеристик ПТБ с пилоном производилось для трех вариантов: пустой бак ( h/h ₀ = 0), бак, заполненный водой на % объема ( h/h 0 = 0,5), и полностью заполненный бак ( h/h ₀ = 1,0). Для заполнения ПТБ в качестве моделирующей жидкости (нетоксичной и обладающей слабым коррозионным воздействием на конструкционные материалы бака) использовалась вода.

Экспериментальные ДХ (в диапазоне до 100 Гц) определены при частотных (резонанс-ных) испытаниях, выполненных по штатной методике ФГУП «ЦАГИ» с использованием специализированного виброизмерительного комплекса PRODERA PRIN-85 [2].

Рис. 1. Общий вид самолета Як-130УБС с установленными на подкрыльевых пилонах ПТБ [1]

Рис. 2. Схема точек приложения сил и точек измерения колебаний

Гармоническое возбуждение колебаний конструкций при испытаниях производилось при помощи двух электродинамических сило-возбудителей PRODERA EX 220 SC (рис. 2). Усилие от силовозбудителя на объект испытаний передавалось при помощи специальной тяги с упругим шарниром.

Измерение колебаний выполнялось пьезоэлектрическими акселерометрами AНC-014-06 (масса датчика 20 г). Регистрация сигналов датчиков (в вольтах) осуществлялась в виде квадратурной Im U ( ■ ) и синфазной Re U ( • ) составляющих по отношению к сигналу тестового генератора. На рис. 3 представлена типовая амплитудная частотная характеристика колебаний ПТБ.

Значения логарифмического декремента колебаний 9 для зарегистрированных то- нов вычислялись с применением следующих известных методов [3]:

• -    по относительной ширине квадратурной составляющей резонансной кривой:

.4- -•                   ;             (I)

Урез Урез

• -    по тангенсу угла наклона синфазной составляющей резонансной кривой:

Урез              ^ReU следовательно,

3 = 2л-

Im?/

Урез

ARe?7

U ИССЛЕДОВАНИЯ

Havko-

■ ГРАДА

При работе с виброизмерительным комплексом PRODERA PRIN-85 на резонансной частоте f _рез [Гц] амплитуда вибросмещения в i -й точке нормировки вычислялась по формуле [4]

.             ТтГ/ г п

/1 = 1555---—Гмм], к -к . f1

пд пу /р«

где k _д – коэффициент усиления датчиков; k _у – коэффициент усиления умножителя.

Рис. 3. Амплитудная частотная характеристика

Построение форм колебаний осуществлялось в нормированных значениях вибросмещения с указанием в подписи к рисунку истинной амплитуды в точке нормировки А_i [мм]. Здесь же указаны значения резонансной частоты f _рез и возбуждающей силы P_j [кГ].

Формы резонансных колебаний ПТБ для различных уровней заполнения бака представлены на рис. 4. Условные обозначения, принятые на рис. 4, – в табл. 1.

Значения резонансных частот, величины логарифмических декрементов и наименование зарегистрированных тонов колебаний для всех вариантов испытаний сведены в табл. 2.

Четыре низших тона колебаний ПТБ как твердого тела были зафиксированы для всех уровней заполнения бака (рис. 4 и 5).

Первый (низший) тон колебаний для всех вариантов заполнения бака представляет собой вращение ПТБ в боковой, горизонтальной плоскости (вокруг оси OY) с узлом, находящимся вблизи хвостовой части конструкции, при этом носок пилона движется совместно с баком.

Второй тон горизонтальных колебаний – вращение ПТБ вокруг оси OY с узлом вблизи центра тяжести ПТБ. Пилон поворачивается синфазно с баком, но угол его вращения на порядок меньше. Координаты их узлов вращений значительно различаются.

При третьем (по счету) тоне колебания ПТБ происходят в вертикальной плоскости с узлом, находящимся позади центра тяжести бака, при этом в фазе с ним подворачивается носок пилона.

Четвертый тон колебаний ПТБ в вертикальной плоскости – узел, находится вблизи центра тяжести, а пилон - практически неподвижен.

При пятом тоне колебаний составной конструкции был зарегистрирован упругий изгиб ПТБ первого тона в вертикальной плоскости при «молчащем» пилоне.

Вертикальный изгиб ПТБ второго тона (с двумя узлами) в противофазе с изгибны-ми колебаниями пилона представляет собой шестой собственный тон колебаний подвесного устройства. Характерно, что этот собственный тон присутствует в спектре колебаний только наполовину заполненного бака. Тон генерируется в том числе и колебаниями плескающейся в баке жидкостью – происходит обмен энергией между оболочкой ПТБ и водой. Отсутствие такого тона колебаний как для пустого, так и полностью заполненного бака подтверждается и расчетно-теоретическими исследованиями. Например, в [5; 6] указано, что если уровень жидкости является заданным, то соответствующая собственная частота может и не существовать.

Таблица 1

	Датчики по оси OY			Датчики по оси OZ
Условное обозначение	пилон	верх ПТБ	низ ПТБ	пилон	правый борт ПТБ	левый борт ПТБ
	--^--	^	А	--^--	<	^—^— Ц^^^_

Наивысшим из зарегистрированных тонов колебаний был седьмой тон – горизонтальный изгиб ПТБ первого тона (но с двумя узлами) с изгибными упругими колебаниями носка пилона.

Сравнение полученных экспериментальных данных (рис. 6, табл. 2) показывает, что, как и следовало ожидать, частоты резонансных колебаний ПТБ понижаются при заполнении бака водой. Для заданной формы колебаний (рис. 4) спектр собственных частот

Колебания по оси OZ

при разном заполнении бака изменяется дискретно.

Рис. 6 иллюстрирует изменение логарифмических декрементов низших тонов колебаний ПТБ в зависимости от заполнения бака водой. Эти экспериментальные данные свидетельствуют о том, что демпфирование колебаний ПТБ, как правило, выше у бака, заполненного водой на ½ объема. Наиболее ярко это проявляется на частотах двух первых тонов.

Колебания по оси OY

вертикальный изгиб ПТБ 2-го тона 6-й тон

Рис. 4. Формы собственных (резонансных) колебаний ПТБ, установленного на подкрыльевом пилоне

U ИССЛЕДОВАНИЯ