超声速流之机翼及壁板非线性颤振主动控制方法研究

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1、超声速流之机翼及壁板非线性颤振主动控制方法研究第1章绪论1.1课题背景及研究意义飞行器结构的气动弹性问题是几乎伴随着飞行器发展的全过程。颤振问题自从1916年被发现以来，一直困扰着飞机的设计人员。气动弹性变形影响着飞行器的动力学稳定性，飞行器结构一旦进入颤振临界状态，任何较小的气流扰动都会使飞机进入危险的动态失稳的振动状态，直到结构被破坏解体，最终导致灾难性事故。颤振问题直接关系着飞行器的空中安全。几十年来，颤振试验和颤振分析的相关技术得到了很大提高，但仍不能完全准确的预测并排除飞行器气动弹性颤振的发生。

2、如图1-1所示，1985年6月DAST（气动力和结构试验遥控研究机）计划中一架火蜂II发生的空中解体事故和1997年9月美国空军的一架隐身战斗机F-117A发生的坠毁事故[1]，都是由于机翼颤振导致的机翼脱落造成的。随着航空航天技术的发展，应用各种新材料、新能源和新技术的高性能现代飞行器应运而生，其中超声速飞机是人类飞机探索的最新领域。超声速飞机具有重要战略意义和潜在经济价值，使其成为21世纪航空航天领域的一个研究热点，美、俄、法、德等国家一直致力于该领域的技术研究工作，并在关键技术方面成果丰富，为超声速

3、飞机未来的发展奠定了基础[2]。超声速飞行技术已成为衡量一个国家空间技术先进程度的标志。最近，NASA的Hyper-X计划继X-43A飞行试验机第二次试飞突破了7马赫后，于2004年11月进行了第三次也是最后一次试飞，在超过35千米的高空做出接近9.8马赫的飞行。NASA计划于近期进一步进行X-43B、X-43C的高超声速飞行试验。我国超声速飞行器的发展与国外相比有一定的差距，为推进我国相关技术的发展，相关专家和学者也做了许多基础研究工作。1.2飞行器气动弹性颤振问题研究现状飞行器结构部件（如机翼和蒙皮）

4、的非线性结构建模，一般采用二元机翼典型剖面、梁和板等几种典型的结构模型[6]。随着学者们的深入研究，气动弹性结构的模型中考虑了众多的非线性因素，尤其以气动非线性因素和结构非线性因素最为突出。机翼是飞机产生升力的最重要部件，其气动特性影响到整机的性能与飞行品质。因此，对机翼的研究在空气动力学中占有重要的地位。机翼几何参数的选取是飞机设计中首要考虑的问题之一，其决定因素不仅与气动特性，还与其他许多因素，如整机布局形式、结构和工艺、重量和重心、隐身性要求等密切相关，但归根结底，机翼的气动特性仍然是首要因素。结构

5、非线性广泛存在于机翼的材料和制造工艺之中，如薄机翼的大变形和控制面板的铰链。Brietbach[7,8]详细分析了机翼结构中可能存在的非线性问题，将结构非线性分为集中式结构非线性和分布式结构非线性。二元机翼是一种假想的机翼，沿展向所有剖面都是相同的，并假设绝对刚硬。二元机翼作为非线性气动弹性系统的最基本的模型，对其进行颤振研究一方面能够深入了解二元非线性机翼由Hopf分岔演化出的极限环振动、准周期运动和混沌运动等类型的各种非线性现象；另一方面利用空气动力片条理论，可将二维非定常气动力应用到大展弦比机翼的气

6、动弹性分析中。..第2章二元机翼的非线性颤振分析2.1引言现代飞行器的机翼结构具有重量轻和柔性大等特点，机翼的非线性颤振主要是由结构非线性和气动非线性的耦合而引起的。由于材料性能及老化铰链连接等因素，机翼结构中通常存在软特性弹簧和硬特性弹簧[6]，软特性弹簧的存在使系统往往在低于线性颤振临界速度下就表现为极限环运动，从而发生恶性颤振。良性颤振和恶性颤振即稳定极限环和不稳定极限环，也在文献中分别称为超临界Hopf分岔和亚临界Hopf分岔[8]。由于气动失稳时振幅会由零突然跃升到一个不为零的有限值，导致了灾难

7、性的结构失效。通过非线性颤振分析可以预测在颤振临界速度附近的飞行马赫数下飞行器结构的气动弹性响应，这对于飞行器结构设计和控制方法的设计是非常重要的。本章首先建立了超音速/高超音速流中的二元机翼的非线性动力学方程，考虑了机翼的立方非线性刚度。采用三阶活塞理论，考虑了非线性气动阻尼和非线性气动刚度。然后推导出常微分方程组并转换为状态方程，通过对其线性化系统矩阵进行分析，得出系统的线性颤振临界速度。采用四阶Runge-Kutta法模拟了系统的动力学响应，验证了线性颤振临界速度，并得出非线性颤振失稳点。最后分析了

8、结构非线性刚度对超临界和亚临界颤振响应的影响。.2.2非线性气动弹性方程二元机翼模型是用沉浮和俯仰运动来模拟机翼的弯曲和扭转变形，其沿展向的所有剖面都是相同的，并假定绝对刚硬，即所谓的―典型剖面。如图2-1所示，二元机翼通过在刚心E处安装拉伸弹簧和扭转弹簧固定在风洞壁上，在机翼后缘有一控制面。超声速气流从左向右流过翼型，流速为U。在超音速流中，二元机翼具有沉浮位移h（向下为正）和俯仰角位移（迎风抬头为正），并考虑了控制面的偏转