一种飞机垂尾抖振载荷识别的新方法

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1、航空学报ACtaAeronauticaetAstronauticaSinicaOct．252013V01．34No．102333．2340ISSN1000-6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CFIhkxb@buaa．edu．CRdoi：10．7527／$1000—6893．2013．0214一种飞机垂尾抖振载荷识别的新方法贾有，杨智春*西北工业大学航空学院结构动力学与控制研究所，陕西西安710072摘要：针对抖振载荷难以直接测量的问题，提出了一种由抖振加速度响应逐点识别翼面分布

2、抖振载荷的频域方法。根据抖振载荷空问和时间的分布特性，将抖振载荷表示成一组空间正交函数与一组时间函数的线性组合，从而把频域内的抖振载荷识别问题转化为时间函数的识别问题。通过垂尾结构的气动弹性运动方程推导出加速度响应功率谱密度与广义力功率谱密度之间的关系式，再由谱分解理论得出广义力功率密度与抖振载荷功率谱密度的关系式，最后根据空间分布函数的正交性逐点识别出时间函数。为了解决上述逐点识别过程中遇到的不适定问题，提出了一种新的正则化处理方法，并用牛顿迭代法选取最佳正则化因子。对一个垂尾模型，先用计算流体力学(CFD)仿真

3、软件计算出垂尾模型上的抖振载荷，然后将这些抖振载荷旌加在垂尾结构上，并计算出垂尾结构的抖振加速度响应，利用计算出的加速度响应识别出抖振载荷，并与计算的抖振载荷进行比较，从而验证了本文所提出的抖振载荷逐点识别方法具有很好的识别精度。关键词：抖振载荷；垂尾；载荷识别；正交分解；正则化中图分类号：V215．3+6文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)10—2333—08目前大部分先进战机(如F／A一22和F／A一18)都采用边条翼／双垂尾布局设计，这种设计虽然可以显著提高飞机的性能，但是当飞机在进行大迎角

4、飞行时，垂尾结构会承受严重的抖振载荷，这也是引起垂尾结构疲劳损伤的主要根源之一[11]，因此垂尾抖振问题反过来又限制了飞机性能的提高。垂尾抖振问题是一种典型的考虑气动弹性耦合效应的随机振动问题，它是由于前机身边条翼的分离涡破裂后产生的随机脉动压力作用在垂尾上激起垂尾结构的强迫振动，这种振动也称为气动弹性抖振。垂尾抖振虽然不像颤振那样会立即导致垂尾结构的破坏，但它却增加了垂尾结构的振动应力，对垂尾结构的疲劳寿命产生显著的影响，因此在研究边条翼／双垂尾布局战斗机的垂尾结构疲劳损伤问题时，确定垂尾抖振载荷是首要问题。对抖

5、振载荷确定问题，早期的研究途径是通过风洞试验利用布置在翼面上的压力传感器来测量翼面上的抖振脉动压力，如Lee和Tang[5‘63采用风洞试验技术对F／A一18飞机垂尾进行抖振载荷测试试验；Davis和Saltzman[73用飞行试验的方法直接在F／A一18AHARV垂尾翼面上进行气动载荷的测试试验，并重点研究了F／A一18A飞机在大迎角飞行时垂尾所经历的抖振。上述两种试验方法作为特定研究方法也许可行，但要作为实际飞行中载荷的预测方法则不太现实，所以在测量受到限制的情况下，利用结构的抖振响应数据来识别飞机翼面上的抖振

6、载荷的方法应运而生。收稿日期：2012．12—11；退修日期：2013-03—19；录用日期：2013-04·04；网络出版时间：2013-04—2513：35网络出版地址：www．cnkj．net／kcms／detail／11．1929．V．20130425．1335．005．html基金项目：国家自然科学基金(11072198，11102162)；高等学校学科创新引智计划(807050)*通讯作者．Tel：029-88460461E-mail：yangzc@nwpu．edu．ON戤用格武

7、JiaY，YangzC

8、．ABewapproachtoidentifybuffetloadsforaircraftverticaltail．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2013’34(10)：2333-2340i贾有．榜智春，一种飞梳垂尾抖振载荷误翻韵新方法．航空学报。2013．34(10)：2333-2340航空学报Oct．252013VoI34No．10由于垂尾上的抖振载荷是分布随机载荷，需要构造一种可以识别其空间分布的随机载荷预测方法。现有的相对成熟的识别方法包括3种：有限差分法、神经网络

9、法和有限元法，但是这3种方法都存在一定的缺陷，如应用有限差分法必须有一个非常准确的结构模型，包括控制微分方程和边界条件，在工程应用中，这一点是很难保证的[83；Levinski[9。1叩同时利用涡方法和神经网络法来预测双垂尾结构翼面上的抖振载荷，但是涡破裂过程很难描述和也很难准确预测；Anthony和Mo—ses[1妇在飞机设计阶段通过有限元法利用从风洞试验