某型机弹性体和刚体离散突风动响应载荷比较分析

在运输类飞机设计过程中,突风动响应载荷计算是其中的重要一环。各类适航规范都要求在突风动响应载荷计算中考虑飞机弹性模态的影响,而弹性体和相应的刚体飞机的突风动响应载荷计算之间存在着紧密的联系。为了研究两种计算方法间的区别和联系,本文首先从计算理论方面进行了分析,然后结合某型机载荷计算数据在数值结果方面进行了进一步的比较分析,最后得到了关于两种计算方法间区别和联系的一些规律性的结论。希望本文对相关领域的研究人员能够有所启发。     

弹性飞机结构动载荷应用研究

民用、军用飞机结构设计规范要求对于弹性飞机必须采用动态分析方法确定结构各部分的飞行载荷,分析中须计及飞机的气动力(非定常、定常)、结构动力(弹性力、惯性力)与飞行控制系统之间存在的耦合。文中对实际飞行中升降舵机动、升降舵自动驾驶遭遇突风情况下机体结构动力响应进行了计算分析,探讨结构动载荷预计中的建模技术,评估了舵面激励对弹性飞机动载荷的影响,对飞行状态中飞机动载荷分析相关工作有借鉴意义。     

弹性飞机跨声速机动载荷计算方法

基于跨声速非定常气动力求解的重叠场源法,开展了弹性飞机跨声速机动载荷计算方法研究,为现代飞机结构强度设计提供更加可靠和精确的临界载荷计算方法。首先通过采用重叠场源法求解关于62%根弦俯仰振荡的LANN机翼在马赫数为0.822的非定常气动力并与实验结果进行对比,验证了重叠场源法对跨声速激波效应预测和非定常气动力计算的能力;其次应用频域气动力有理近似技术拟合场源法计算得到的广义气动力系数矩阵,建立了机动载荷分析的状态空间模型;然后完成了某型民用飞机俯仰机动载荷分析,研究了俯仰机动飞行情况下飞机机体状态量及飞机部件载荷响应规律。计算结果表明：考虑机体弹性变形后,机翼和平尾气动载荷响应最大值分别减小了5.1%和10.6%,升降舵气动载荷响应最大值增大了16.2%,在飞机结构强度设计中必须考虑机体弹性效应对飞机部件载荷的影响。     

大展弦比飞机运动稳定性建模及分析

随着飞机设计技术的提高和新型材料的应用，现代飞机气动弹性效应越来越显著，刚体运动和弹性体振动互相解耦的关系不再明显，在分析弹性飞机相关问题时，应该综合地、统一地考虑飞行动力学与气动弹性力学问题。本文在一般体轴系下综合考虑了飞机刚体运动自由度和弹性振动自由度，建立弹性飞机刚弹耦合运动的方程，通过在配平状态下引入小扰动运动假设，以及利用有理函数拟合技术将偶极子格网法计算所得到的频域非定常气动力转化为时域形式，建立了大柔性飞机刚弹耦合小扰动状态空间方程，并对纵向运动稳定性进行分析计算。针对文中构型飞机，运用本文所采用的方法计算所得结果与传统的线性及刚体计算所得结果进行对比分析，非线性计算方法所得颤振速度更小，而且失稳模态亦发生变化，对于飞行力学模态而言，长周期模态稳定性变差，在计算速度范围内出现失稳的现象，由此说明机翼大变形对飞机稳定性所带来的影响。     

准静弹性飞机动态特性的计算研究

本文在小扰动和准静弹性假设下对弹性飞机纵向动态特性进行了计算和分析。对弹性变形对动态特性的影响进行了初步讨论。本文采用格林函数法求得飞机的气动力,用正则模态法计入弹性变形影响并引入准静弹性假设,得到了研究纵向动态特性所需的全部刚体飞机气动导数和弹性飞机气动导数。利用这些导数,对准静弹性飞机动态特性进行计算研究。并将计算结果与刚化模型的同一飞机进行比较和分析。     

分布式非线性气动力模型弹性飞机动力学研究

建立了线性与非线性两种分布式气动力模型,在弹性飞机模型上添加所建立的气动力模型,验证了整个系统的有效性。对所建立的模型进行着陆及突风扰动动力学仿真,对比线性及非线性气动力模型的飞机动力学响应的差异,结果表明非线性气动力模型能够更合理地计算飞机大迎角状态下的气动载荷及动力学响应。     

弹性飞机空投载荷设计技术

飞机进行货物空投是进行飞行载荷设计时所需考虑的机动之一,现有的空投载荷设计方法主要是基于刚体飞机运动方程建立的,尚不能解决弹性飞机遭遇阵风时的货物空投载荷设计问题。为了提高空投载荷设计精度,考虑了飞机的弹性振动自由度,提出了弹性飞机遭遇阵风时的货物空投动响应和结构载荷分析方法。对弹性飞机空投动响应分析的主要难点为线性时变系统的动力学建模:基于稳定基底法,推导了弹性飞机货物空投动响应一般运动方程;采用最小状态(MS)法对频域气动力进行有理函数拟合;利用混合建模方法对时域离散阵风激励进行计算。对弹性飞机单件重装货物空投进行了仿真,重点分析了货物对载机地板的作用力和机翼的受载。仿真结果表明,本文提出的弹性飞机货物空投动响应分析方法可以很好地反映飞机的空投受载情况,能够作为弹性飞机空投载荷设计的手段。     

耦合六自由度运动弹性飞机阵风响应数值模拟

耦合飞机刚体六自由度运动,考虑飞机结构气动弹性变形,基于全湍流Navier—Stokes方程流场数值模拟方法．建立了离散阵风作用下弹性飞行器气动载荷与飞行姿态响应的数值模拟技术。其中模态空间中结构动力学方程以及六自由度运动方程分别采用四阶R—K进行时间推进求解,采用RadialBasicFunction（RBF）技术进行气动／结构数据耦合。对应飞机姿态以及弹性变形采用RBF与TFI组合模式的动网格方法进行网格更新;以飞翼布局弹性飞机为数值研究对象,研究了离散阵风作用下飞行器的气动载荷响应以及飞行姿态的变化,对比分析了刚性飞行器与弹性飞行器对离散阵风响应的区别,为进一步系统地分析真实飞机飞行品质提供数值平台。     

弹性飞机尾涡遭遇动响应分析方法

根据库塔-儒可夫斯基定理求解得到飞机产生的尾涡强度,并基于离散阵风非定常气动力计算思路,发展了尾涡非定常气动力计算方法。通过频域求得弹性飞机动响应,再利用傅里叶反变换求得时域动响应。分析了某型飞机垂直穿越尾涡时的机体动响应,尾涡引起的弹性过载最大可达到1.3,在该类飞机的设计过程中需要考虑尾涡引起的动载荷对机体强度安全性的影响。     

基于非线性气动力的飞机飞行载荷计算

为了研究气动力非线性对飞机静气动弹性特性及飞行载荷的影响,发展了一种基于非线性气动力的飞机静气弹及飞行载荷计算方法。通过引入CFD计算结果,实现对线性方法中的气动力影响系数矩阵的非线性修正,采用模态法求解静气弹配平方程得到飞机非线性的气弹变形及飞行载荷。以某翼身组合体构型为计算算例,分别针对刚性模型和柔性模型,基于非线性气动力完成了飞机静气动弹性分析及载荷计算,并与线性结果进行了对比分析。结果表明,非线性方法可对大迎角范围内飞机静气弹变形及飞行载荷做出较合理的预测。     

飞行器刚体运动与气动弹性相互作用问题研究

通过联立求解空气动力学基本方程、飞行动力学运动方程和弹性结构振动方程,在时间域内模拟和分析了大展弦比飞机纵向动力学稳定性问题。结合动网格技术,气动力计算采用基于欧拉方程的计算流体力学方法,结构变形和飞行姿态位置变化统一为模态表示方法,通过松耦合将飞行器姿态稳定性和结构变形稳定性施行了模拟。以某大展弦比机翼飞机为算例,研究了其刚体运动和机翼的弹性振动的相互影响。结果表明：对于具有大展弦比机翼的飞机,其机翼的低阶弹性模态易与飞机飞行中本身的刚体模态发生耦合,从而导致飞机机翼的气动弹性发散以及飞机本身刚体运动稳定性的改变。对于这类飞机,在其气动弹性和飞行稳定性的分析和设计中必须充分考虑到两种运动的相互影响。     

基于非线性试验气动力的飞机静气动弹性响应分析

分别使用线性和非线性静气动弹性分析方法,对某飞机纵向静气动弹性响应特性随飞行动压、攻角、平尾偏度和纵向过载变化的趋势进行了分析,并将分析结果和飞行试验进行了比较。线性方法的气动力计算使用亚音速偶极子格网法。非线性方法由风洞试验提供刚体气动力,并使用线性气动力影响系数矩阵对其进行弹性化处理。通过对两种方法的计算结果进行对比分析可以看出:①使用刚体试验气动力的非线性分析方法能够获得和飞行试验比较一致的结果;②在线性方法所提供的结果中,翼面的弯曲变形及剪力、弯矩和扭矩等部分参数能为初步设计提供大致参考,但气动力系数的弹性增量、翼面的扭转变形、翼面的剪力、弯矩和扭矩的弹性部分可能不能为型号设计提供正确的指导;③不论刚体气动力为线性还是非线性,气动力系数随动压变化的趋势均呈线性。     

民用飞机弹性结构水上迫降试验载荷研究

刚体模型和弹性体模型的载荷传递方式不同,为了研究刚体模型和弹性结构模型对飞机水上迫降载荷的影响,根据动力相似性原理设计制造了刚体模型,并根据强度相似性原理设计制造了弹性结构部件,通过气囊加载试验系统验证了弹性结构部件满足强度相似设计要求。通过水上迫降模型试验测得加速度-时间历程曲线,使用傅里叶变换处理试验数据得到加速度峰值。根据刚体模型的试验数据分析,飞机以初始俯仰角12°、襟翼为着陆构型、较小的下沉速度和中重心状态入水时,飞机在水上迫降过程中受到的载荷较小。研究表明：带弹性结构模型和刚体模型所得到的飞机载荷有明显的不同,带弹性结构模型得到的垂向加速度峰值明显低于刚体模型。这种现象主要是由于机体着水底部弹性结构变形吸收了大量的能量。     

刚弹耦合飞行器的机动载荷减缓

针对飞行器刚体/弹性模态耦合作用下的机动载荷减缓问题,运用亚音速非定常空气动力学理论以及分析力学原理,建立了柔性飞机机动载荷分析及控制的气动弹性模型,分析了飞机作纵向机动飞行时结构弹性对机动飞行参数的影响。数值分析结果表明,结构弹性模态对飞机机动过程的影响不容忽视。为了有效减缓机动载荷,运用最优控制理论,采用多组控制面联合偏转的作动方案,设计机动载荷减缓最优控制律,实现了对飞机纵向机动载荷的控制。研究结果表明,提出的机动载荷减缓控制方案是有效的。     

弹性飞行器飞行载荷与动态特性分析

在综合考虑了刚体运动自由度和弹性自由度的弹性飞行器运动方程的基础上 ,采用了线性气动力的影响系数形式 ,提出了一套飞行载荷与动态特性分析的方程和方法 ,用于解决飞行力学和气动弹性力学中的静气动弹性发散、配平与结构变形、气动载荷分布、颤振与飞行动态特性等问题。算例表明 ,该方法有效可行 ,且对于大柔性飞行器 ,刚体运动模态与弹性模态之间的耦合是显著的 ,应予以重视。     

一种分析弹性飞机总体运动稳定性及颤振特性的统一方法

 本文应用非定常气动力理论计算了刚体运动与弹性运动耦合的飞机运动方程中的非定常气动力及广义气动力导数,给出一种分析飞机总体运动稳定性及颤振特性的统一方法。     

某高空长航时飞机垂直突风过载计算分析

应用离散突风模型和简化功率谱模型2种方法对某高空长航时飞机纵向突风刚体载荷进行了计算分析。计算结果表明,采用这两种方法计算结果相差60%以上,通过简要的理论分析指出,对于高空长航时类小翼载飞机,采用离散突风模型计算结果偏大,应采用简化功率谱模型或功率谱模型进行高空长航时飞机突风载荷的估算。     

大速度状态下桨毂振动载荷计算方法

依据大速度前飞状态桨叶气动环境,通过对桨叶动力响应、翼型气动力、流场尾迹分布和桨根力等四个方面的分析,建立桨毂振动载荷预计模型。基于Leishman—Beddoes的附着流模型和动态失速模型计算翼型气动力,桨叶运动考虑刚性挥舞模态和弹性挥舞模态,诱导速度采用动力人流理论和Pite—He广义动态尾迹理论。利用状态空间法对方程进行离散化处理。以某型直升机为例。通过几种不同模型的计算,表明流场尾迹分布和桨叶运动变形对桨毂振动载荷预计有较大影响。     

机体弹性对起落架载荷影响分析

基于ADAMS软件建立了不同起落架布局的含弹性机体的全机多体动力学模型,进行了全机着陆仿真分析,研究了不同起落架布局的飞机机体弹性对起落架地面载荷的影响:对大多数机翼起落架布局的飞机,机体弹性减缓了起落架载荷;而对于机身起落架布局的飞机,考虑机体弹性后,起落架载荷有可能增大,也有可能减小。不同的飞机构型、不同的缓冲器参数,机体弹性的影响规律可能会有不同,需要根据具体情况作具体分析,因此,在起落架地面载荷的设计过程中,考虑机体弹性的影响有重要意义。     

飞艇连续突风载荷计算方法

基于统计学原理,采用功率谱密度法推导了飞艇遭遇大气紊流时的纵向突风响应计算公式,给出了飞艇连续突风载荷分析准则,介绍了飞艇连续突风载荷分析方法。采用所推导的计算公式对某对流层飞艇进行了纵向突风响应分析,获得了响应量(迎角、俯仰角、俯仰角速度、气动力和气动力矩)的频响函数、突风响应因子和特征频率。根据所得的计算结果,采用飞艇突风载荷分析准则,进行了垂向突风载荷计算,并将突风弯矩的计算结果与经验公式所得的计算结果进行对比分析,结果表明,二者的符合性较好。本方法可作为飞艇突风载荷计算的参考依据,也可用于飞艇突风载荷谱的计算。