直升机主减速器智能周期撑杆及其设计方法技术

本发明专利技术提供了一种直升机主减速器智能周期撑杆及其设计方法，主要用于直升机舱内降噪，该撑杆包括外筒以及设置在外筒内部的上筒和下筒，上筒和下筒分别为多层橡胶和压电叠堆串联组成的周期结构，上筒与下筒为并联关系；所述上筒的最上层橡胶与外筒顶部连接，上筒的最下层橡胶与下筒最上层橡胶通过连接金属块连接，下筒的最下层橡胶与外筒底部连接；所述上筒内部设置有上薄壁圆管，上薄壁圆管一端与连接金属块接触，另一端连接有上连接接头；所述下筒底部设置有下薄壁圆管，下薄壁圆管底部连接有下连接接头。本发明专利技术既能通过增强撑杆的隔振性能，又能减轻周期结构的体积和质量，大幅提高了宽频控制能力，作动器进行主动控制需要的驱动功率更小。要的驱动功率更小。要的驱动功率更小。

【技术实现步骤摘要】
直升机主减速器智能周期撑杆及其设计方法


[0001]本专利技术涉及直升机舱内噪声控制
，具体是一种直升机主减速器智能周期撑杆及其设计方法。

技术介绍

[0002]主减速器撑杆是直升机主减速器和机体的一种连接结构。由于其大多数为刚性连接，齿轮啮合振动会无衰减地传递到机体，引起直升机舱内噪声。因此可通过对主减撑杆进行隔振设计达到舱内降噪的目的。目前主要采用的方法大致有两种。
[0003]一种是在主减速器撑杆中嵌入若干个由金属/橡胶组成的周期结构。其降噪机理就是利用周期结构的宽频减振特性，阻碍主减速器振动向机体传递，从而达到降噪的目的。所谓周期结构，即弹性常数和密度周期分布的材料或结构。当振动波在周期结构中传递时，在两种不同介质的分界面处发生反射、折射和入射，若某一段频率范围内反射波和入射波的相位相反，此时反射波对入射波的削弱作用最大，从而出现所谓阻带效应。通过合理设计阻带，可降低主减速器到机身的宽频振动水平，从而降低直升机舱内的宽频噪声。目前，用于直升机舱内宽频降噪的周期结构主要包括美国马里兰大学提出的主减周期撑杆(S Asiri.Periodic Struts for Gearbox Support System.Journal of Vibration and Control,2005:709
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721.)和王风娇等专利(申请专利号：201510949611.5，公开日：2016.04.20，公开号：CN105508488A)。上述两种周期撑杆均是基于被动控制的直升机主减周期撑杆。前一种形式的撑杆由金属和橡胶串联粘结构成，考虑到主减撑杆在直升机飞行与地面停放时需要承受拉伸载荷，前一种形式的撑杆在较大拉伸载荷作用下，会出现橡胶被撕裂或者金属和橡胶之间的粘结层破坏等问题，而这将引起重大安全事故。后一种形式的主减周期撑杆通过对橡胶材料施加预紧力，使得该撑杆无论在拉伸与压缩状态下，橡胶材料均处于压缩状态；虽然能满足模型直升机对撑杆的强度和刚度要求，但是其对齿轮啮合产生的多频谐波振动与噪声的抑制效果有限。
[0004]另一种方法是在主减撑杆或其附近安装作动器，利用主动控制算法抑制主减速器齿轮啮合振动向机身的传递。欧洲EADS公司提出了在主减速器撑杆上粘接压电陶瓷作动器，基于Fx
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LMS算法控制舱内噪声(Hoffmann F,Maier R,Jnker P,et al.Helicopter Interior Noise Reduction by Using Active Gearbox Struts[C]//12th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference(27th AIAA Aeroacoustics Conference).2006.)。此种方法虽对若干齿轮啮合产生的多频谐波振动控制效果明显，但宽频控制效果有限。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决现有技术的问题，提供了一种直升机主减速器智能周期撑杆及其设计方法，既能通过增强撑杆的隔振性能，达到了提升舱内降噪水平的目的，又能减轻周期结构的体积和质量。与主动控制的周期撑杆相比，本专利技术大幅提高了宽频控制能力，作动器进行主动控制需要的驱动功率更小。
[0006]本专利技术包括外筒以及设置在外筒内部的上筒和下筒，上筒和下筒分别为多层橡胶和压电叠堆串联组成的周期结构，上筒与下筒为并联关系；所述上筒的最上层橡胶与外筒顶部粘结，上筒的最下层橡胶与下筒最上层橡胶通过连接金属块连接，下筒的最下层橡胶与外筒底部连接；所述上筒内部设置有上薄壁圆管，上薄壁圆管一端与连接金属块接触，另一端伸出外筒外连接有上连接接头；所述下筒底部设置有下薄壁圆管，下薄壁圆管底部连接有下连接接头。
[0007]进一步改进，所述的上筒的内壁与上薄壁圆管外壁留有间隙，上筒和下筒的外壁与外筒的内壁间也留有间隙。
[0008]进一步改进，所述的上筒和下筒的外壁与外筒的内壁间的间隙中设置有内筒。
[0009]进一步改进，所述的上筒与下筒内的多层橡胶材料在装配时进行预压缩处理，下筒的预压缩量超过其在直升机飞行时的最大拉伸变形。
[0010]直升机在飞行时，撑杆上端与减速器连接，下端与机身连接，两端受拉，上筒受压，下筒受拉，上筒和下筒同时起到宽频减振作用，控制压电叠堆对若干齿轮啮合产生的多频谐波振动进行主动控制，同时对宽频与单/多频振动进行隔振控制这样设计不仅能阻碍主减速器中高频振动向机体传递，达到舱内降噪的目的；主动控制的引入还可以有效地降低主减撑杆的体积与质量。
[0011]本专利技术还提供了一种直升机主减速器智能周期撑杆的设计方法，包括以下步骤：
[0012]1)建立智能周期撑杆的传递矩阵形式的机电耦合动力学模型；
[0013]推导给出被动材料的传递矩阵动力学模型、压电叠堆的传递矩阵形式机电耦合动力学模型。其中，橡胶与钢均为被动材料，其动力学模型可以使用被动材料的传递矩阵模型表示。其传递矩阵T
p
表示为：
[0014][0015]压电叠堆作动器可视为多个压电片在机械结；构上串联，在电路上并联而成，以下是压电叠堆的传递矩阵形式机电耦合动力学模型：
[0016]定义n为压电叠堆中具有的压电片层数，∈
′
代表在零应变下的介电常数，t为时间，x为位移，a为压电叠堆的波数，a1与a2为两个待定系数，c
′
为压电材料短路弹性模型，e
′
为短路时，应变与电位移之比；采用被动材料的传递矩阵模型，压电叠堆作动器结构采用机电耦合动力学模型建立了传递矩阵T
a
由于T
a
有无穷多解，此处使用其特解T
ad
来表示压电叠堆机电耦合矩阵，T
ad
表达式如下：
[0017][0018]随后，基于撑杆内部传递路径串并联关系，根据被动材料与压电叠堆的传递矩阵动力学模型，建立了智能周期撑杆的传递矩阵形式的机电耦合动力学模型。
[0019]2)控制技术的选择；使用ACSR频域主动控制技术，以结构作动装置为控制机构，通过控制结构振动抑制噪声。
[0020]3)使用智能周期撑杆的机电耦合模型分析智能周期撑杆的最优隔振性能，基于步骤1)所得动力学模型，使用多物理场仿真软件验证了本专利技术对直升机舱内单频或多频谐波噪声的最优控制能力。
[0021]本专利技术有益效果在于：
[0022]1、抑制直升机舱内由减速器引起的单频/多频的谐波噪声。本专利技术采用压电叠堆与橡胶周期排列的结构，通过合理设计压电叠堆相关参数，有针对性的对被动周期结构无法控制的若干齿轮啮合产生的多频谐波振动进行控制。
[0023]2、减轻周期撑杆的体积尺寸。本专利技术采用的主被动混合控制方式，增加了原被动周期结构的禁带衰减深度。一方面，在相同的控制效果下，本专利技术采用的结构周期数相比于被动周期结构更少。另一方面，禁带衰减程度的增加，使得被动周期结构的部分原禁带范围外低频成分得到有效改善，故相比本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种直升机主减速器智能周期撑杆，其特征在于：包括外筒以及设置在外筒内部的上筒和下筒，上筒和下筒分别为多层橡胶和压电叠堆串联组成的周期结构，上筒与下筒为并联关系；所述上筒的最上层橡胶与外筒顶部连接，上筒的最下层橡胶与下筒最上层橡胶通过连接金属块连接，下筒的最下层橡胶与外筒底部连接；所述上筒内部设置有上薄壁圆管，上薄壁圆管一端与连接金属块接触，另一端伸出外筒外连接有上连接接头；所述下筒底部设置有下薄壁圆管，下薄壁圆管底部连接有下连接接头。2.根据权利要求1所述的直升机主减速器智能周期撑杆，其特征在于：所述的上筒的内壁与上薄壁圆管外壁留有间隙，上筒和下筒的外壁与外筒的内壁间留有间隙。3.根据权利要求2所述的直升机主减速器智能周期撑杆，其特征在于：所述的上筒和下筒的外壁与外筒的内壁间的间隙中设置有内筒。4.根据权利要求1所述的直升机主减速器智能周期撑杆，其特征在于：所述的上筒与下筒内的多层橡胶材料在装配时进行预压缩处理，下筒的预压缩量超过其在直升机飞行时的最大拉伸变形。5.一种直升机主减速器智能周期撑杆的设计方法，其特征在于包括以下步骤：1)建立智能周期撑杆的传递矩阵形式的机电耦合动力学模型；2)控制技术的选择；使用ACSR频域主动控制技术，以结构作动装置为控制机构，通过控制结构振动抑制噪声；3...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆洋，卫思琪，岳慧裕，党崇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：