[26]气动加热下三角机翼颤振

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1、第43卷第1期西南交通大学学报Vol.43No.12008年2月JOURNALOFSOUTHWESTJIAOTONGUNIVERSITYFeb.2008文章编号:025822724(2008)0120062205气动加热下三角机翼颤振叶献辉,杨翊仁(西南交通大学应用力学与工程系,四川成都610031)摘要:根据热气动弹性特点,探讨了气动加热温度对三角机翼模态特性和颤振特性的影响.基于热流量平衡方程,分析了气动加热下三角机翼的温度场;用有限元法求气动热效应下2个典型的超音速三角机翼模型的模态;按二阶活塞理论计算了翼面的非定常气动力,并用P2K

2、法对颤振方程进行求解.计算结果表明,气动加热后结构的模态特性和颤振特性均发生变化;由于温度效应降低了各阶固有频率,改变了它们之间的差距,从而导致颤振速度降低.关键词:机翼;颤振;热气动弹性;气动加热中图分类号:V215.3文献标识码:AFlutterofDeltaWingunderAerodynamicHeatingYEXianhui,YANGYiren(Dept.ofAppl.MechanicsandEng.,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)Abstract:Fromthec

3、haracteristicsofaerothermoelasticity,theeffectsoftemperatureinaerodynamicheatingonthemodeofadeltawingandthecharacteristicofitsflutterwereresearched.Thetemperaturedistributionofthedeltawingunderaerodynamicheatingwasinvestigatedwithfluxbalanceequation,andtheinfluencesoftempe

4、ratureonthenaturaldynamiccharacteristicsoftwotypicalsupersonicdeltawingmodelswereanalyzedwithFEM(finiteelementmethod).Theaerodynamicloadwascalculatedwiththesecondorderpistontheoryofsupersonicaerodynamics,andtheflutterequationsweresolvedwiththeP2Kmethod.Theresearchresultssh

5、owthataerodynamicheatingwillresultinchangesinthenaturaldynamiccharacteristicsofthemodels,sothefluttervelocityofthedeltawingwilldeclinesharply.Keywords:wing;flutter;aerothermoelasticity;aerodynamicheating高速飞行器由于飞行马赫数高,边界层内具有很大速度梯度的各气流层产生强烈摩擦作用,造成机翼表面附近的气流温度升高,高温空气将不断向低温机翼表面

6、传热,引起气动加热.由于气动加热效应,结构的弹性力,惯性力,气动力和热应力之间的相互作用,引发的热气动弹性问题,在不利的耦合情况下,将有[1～6]可能导致飞行器的性能下降甚至结构破坏.第一个在大气层内100km甚至更高的高度上以马赫数为[6]5飞行的有人驾驶飞行器X215验证机,在其初期飞行中垂尾就发生过颤振问题.因此,热气动弹性问题在高速飞行器研制中应受到重视.本文以小展弦比机翼为研究对象,先根据热流量平衡程分析气动加热下[7]结构的温度场,再用有限元软件求得气动热效应下机翼的模态特性,最后根据二阶活塞理论计算非定常气动力,用P2K法对颤

7、振方程进行求解,分析讨论气动加热温度对机翼模态特性和气动弹性稳定性的影响.收稿日期:2007207211基金项目:国家自然科学基金和中国工程物理研究院联合资助项目(10576054)作者简介:叶献辉(1980-),男,博士研究生,研究方向为流固耦合振动,E2mail:ye2xianhui@163.com第1期叶献辉等:气动加热下三角机翼颤振631基本理论热气动弹性问题是多学科耦合的问题,涉及结构、气动力学和热学.在现有条件下,同时求解这样的多学科耦合问题是不切实际的,在工程上难以实现.根据文献[2～6],常采用弱耦合方法进行高超声速热气动弹

8、性工程分析.这种方法基于以下假设:(1)不考虑气动热环境与结构温度的瞬态变化,将温度场视为稳态;(2)气动力和气动热不相互影响,只与结构的振动特性相关.基于上面两个假设,就可以对