地面颤振模拟试验中的非定常气动力模拟

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1、航空学报ActaAerOnautIcaetAstrOnauticaSinicaNov252012V01．33No．111947．1957ISSN1000—6893CN11．1929／Vhttp：#hkxb．buaa．eduCRhkxb@buaa．edu．ca文章编号：10006893(2012)111947—11地面颤振模拟试验中的非定常气动力模拟许云涛，吴志刚*，杨超北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191摘要：地面颤振模拟试验作为一种颤振研究的新方法，可以有效地弥补传统气动弹性试

2、验的不足。对地面颤振模拟试验的主要难点，即非定常分布式气动力集成减缩加载的方法开展研究：基于亚声速偶极子格网法和活塞理论建立了亚声速以及超声速翼面的非定常气动力模型，通过曲面样条插值以及有理函数拟合获得了试验时域减缩气动力；提出以颤振关键模态的振型为优化目标，使用遗传算法搜寻气动力最优减缩位置的优化方法；建立了闭环系统的时域状态空间模型，使用颤振时域仿真结果与频域理论结果进行对比，对比发现二者误差可控制在3％以内。研究结果表明，该文提出的非定常气动力模拟方法可以很好地表征翼面非定常气动力分布特性

3、，可以作为地面颤振模拟试验研究可靠的理论基础。关键词：气动弹性；颤振试验；翼面；非定常气动力；模拟中图分类号：V211．47；V215．3+4文献标识码：A颤振是弹性结构受到非定常空气动力、弹性力和惯性力的耦合作用而发生的振幅不衰减的自激振动。颤振问题在飞机、导弹等飞行器翼面中尤为突出，是飞行器飞行中发生事故较多且常导致灾难性后果的一种气动弹性现象[1]。开展翼面颤振问题研究主要有两类途径：①数值计算：这需要对分析对象进行数学建模，此过程需要在结构、气动等方面引入一定的假设，难以考虑真实存在的各

4、种非线性因素和建模误差的影响，分析结果具有一定的参考价值，但可能与实际情况有较大的偏差；②试验手段：与颤振有关的试验主要有风洞试验和飞行试验。风洞试验可以考虑气动力影响，但此方法要求将试验对象进行缩比设计，缩比模型与真实结构存在一定的差别，且由于风洞洞壁与支架的干扰气动力难免失真；此外对于高速、热环境等情况，风洞试验模拟费用昂贵且实施困难[2]。飞行试验可以完全模拟试验对象的真实工作环境，但试验的条件受限、费用高且风险大。鉴于传统研究手段的诸多缺陷，设计者一直试图对飞行器颤振问题的研究方法进行拓

5、展。地面颤振模拟试验就是一种可以有效弥补传统试验不足的、极具生命力的颤振研究新方法。早在20世纪60年代美国的Kearns就提出了颤振地面模拟(GroundFlutterSimulation)的概念[3]，并进行了初步尝试。20世纪80年代国内的潘树祥和齐丕骞也进行了初步研究，尝试采用激振器模拟非定常气动力，利用速度传感器作为反馈信号，进行颤振预测，还尝试通过红外线石英灯加热的方式，进行热颤振试验研究H]。不过受多输人多输出振动激励方法以及计算方法成熟度的限制，相关研究结果和技术并未引起行业的重

6、视，研究逐渐搁浅。收稿日期：2012—06-18；退修日期：2012—08—03；录用日期：2012一08—20；网络出版时间：2012-08—3014：27网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／111929．V．201208301427013．htmI基金项目：国家自然科学基金(10902006，91116005)*通讯作者Tel．：010-82317510E-mail：wuzhigang@buaaedu．oR嘲用格式lXuYT，WuZG．YangC．Simulatio

7、noftheunsteadyaerodynamicforcesforgroundfluttersimulationtest．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2012．33(1{)：1947-1957．许云涛。吴志硪，杨超．地面颤振模拟试验中的非定常气动力模拟．航空学报，2012，33(¨)：1947-1957．航空学报Nov252012V01．33No．11进入21世纪，随着新的振动技术与控制技术的发展，关于地面颤振模拟试验的研究又重回设计者视野。2001

8、年俄罗斯的中央流体研究院(TsAGI)提出了电动机械模拟(EMM)技术凹]，采用数字计算机根据实时测得的结构振动信息计算出非定常气动力，并通过激振器加载在结构上，实现了地面模拟试验。2011年美国的ZONA公司提出了干风洞(DWT)思想[6]，该思想与俄罗斯TsAGI的EMM技术非常类似，目前在实验室内实现了矩形平板翼和长直机翼的地面颤振试验。2011年北京航空航天大学开展了采用激振器模拟非定常气动力加载的理论研究，并在实验室内实现了细长体导弹模型的气动伺服弹性半实物模拟试验[7]。目前有关地面