含间隙折叠舵面颤振响应分析

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1、天津大学硕士学位论文含间隙折叠舵面颤振响应分析FlutterAnalysisofaFoldingRudderwithClearance一级学科：力学学科专业：一般力学与力学基础作者姓名：刘芳指导教师：丁千教授天津大学机械工程学院二零一五年十二月中文摘要飞行器舵面/翼段气动弹性问题中的非线性因素主要来自结构、气动和伺服系统。为了满足存储、运输过程中节省空间的要求，某些导弹弹翼、舰载飞机机翼会采用折叠舵面/翼段结构。在折叠舵面铰链连接处不可避免存在的间隙，会改变舵面的刚度特性，并影响其气动弹性性能。通常情况下，气动颤振频率就是舵面结构的最低阶固有频率，而结构间隙的零或近零刚度对固有频

2、率有很大影响。一般采用模态振动实验，以施加周期信号扫频激励方式，获得含间隙结构的固有频率。结构间隙也影响着舵面的颤振情况，一般采用数值仿真方法进行分析。本文研究间隙非线性因素对于主共振以及颤振频率的影响，主要内容如下：第一部分：考虑到模态振动实验通常采用周期激励形式，应用平均法并结合数值仿真，研究含间隙舵面/翼段的主共振响应，分析间隙、外激励、固定预载等参数对于舵面主共振情况、特别是共振频率范围变化的影响规律。随着间隙增大，主共振响应曲线整体向左移动，非线性特点越来越突出，开始出现振幅跳跃和滞后现象；随着外激力增大，非线性的影响降低，振幅跳跃现象逐渐消失，系统振动特点接近线性；随

3、着固定预载增大，共振形态变化较大。第二部分：应用活塞理论建立含间隙飞行舵面的气动弹性力学方程，采用增量谐波平衡法分析舵面颤振，给出了舵面颤振频率的计算公式。分析了舵面/翼段的颤振规律：来流速度小于临界颤振来流速度时，翼段振动稳定在零平衡点，且随来流速度的增大，振动达到稳定需要的时间增长；来流速度达到临界颤振来流速度时，翼段产生颤振并形成稳定的振动极限环；来流速度大于VLC时，翼段颤振失稳，且随着来流速度的增大，颤振失稳的速度也提高。舵面/翼段颤振极限环存在的来流速度区域很小，超过这一来流速度区域，颤振运动几乎立刻发散。第三部分：在第二部分基础上，数值仿真、分析飞行马赫数、间隙等因

4、素对于舵面颤振频率的影响，飞行马赫数和间隙对于颤振规律没有影响。但飞行马赫数对于翼段颤振的影响很大，随着飞行马赫数的增大，临界颤振来流速度增大，颤振频率也增大，而间隙的变化对于翼段颤振的影响很小。并对比了在间隙影响下，主共振频率与颤振频率的关系，为地面模态实验提供理论依据。第四部分：全文总结。关键词：平均法；增量谐波平衡法；舵面；主共振；颤振IAbstractNonlinearaircraftrudder/wingaeroelasticproblemsresultedmainlyfromthenonlinearfactorsinstructuralparts,pneumatica

5、ndservosystems.Inordertomeettherequirementsofsavingspaceduringstorageandtransportation,thefoldingrudder/wingsegmentstructureareadoptedinsomemissilesandcarrier-basedaircrafts.Theexistenceofunavoidableclearancesinthefoldingrudderhingejointscanchangethestiffnessandaeroelasticpropertiesofthesyste

6、m.Generally,aerodynamicflutteroccurswithafrequencywhichequalsthenaturalfrequencyoftherudder,whichcanbesignificantlyinfluencedbythestructuregap.Theperiodicsignalsweepingmethodinmodalvibrationtestisoftenusedtoobtainthesystemnaturalfrequency.Theflutterofrudder/ringwithstructuralgapisusuallyanaly

7、zedbyusingthenumericalsimulationmethod..Inthisthesis,influencesofthegaponthemainresonanceandflutterofafoldingrudderwithhingejointareinvestigatedbythefollowingthreeparts.1.Fortheperiodicsweepingexcitationwasadoptedinmodalvibrationtest,theavera