考虑非定常气动力修正的阻力舵机翼颤振分析方法与流程

本发明属于飞翼式飞机的阻力舵颤振分析领域，具体涉及一种考虑非定常气动力修正的阻力舵机翼颤振分析方法。

背景技术：

1、开裂式阻力方向舵(简称阻力舵)是目前飞翼式飞机的主要航向操纵装置之一，作为一种高效的偏航装置，能够提高飞翼布局飞机在偏航稳定性和控制方面的性能。但在大开裂角状态下可能会引起气流分离或涡流等复杂流场状态，传统的求解方法无法准确分析其颤振特性。

2、目前针对类似问题的研究方法主要有：流固耦合方法、工程修正方法和风洞试验方法。存在问题及值得借鉴的部分如下：

3、第一，大量的数值仿真计算会大大降低计算效率，提高计算成本，不利与推广。

4、第二，在分析其他复杂流场带来的特殊气动弹性问题时，用到的工程修正方法或借助风洞试验的方法，可以推广到阻力舵机翼的颤振分析中。

5、因此，有必要提出一种能够兼顾计算效率和准确性的阻力舵机翼颤振分析方法。

技术实现思路

1、为了解决工程气动力计算方法无法考虑开裂舵对流场的影响问题，本发明提出一种考虑非定常气动力修正的阻力舵机翼颤振分析方法，只需要通过少量的高精度数值仿真计算数据，即可对工程方法得到的一系列低精度数据进行修正，能够提高不同开裂角阻力舵机翼的颤振计算准确性。

2、所述考虑非定常气动力修正的阻力舵机翼颤振分析方法，具体步骤如下：

3、步骤一、针对目标阻力舵机翼，通过有限元分析方法对该机翼进行模态分析，得到该机翼的有限元模型；

4、步骤二、采用工程气动力计算方法，获取该有限元模型确定马赫数下的各颤振点分别对应的初始减缩频率值，对应查表得到各频率处的低精度气动力系数，每个减缩频率分别对应一个aic矩阵。

5、初始减缩频率值人为给定；

6、步骤三、针对当前工况下的颤振点a，基于频域颤振求解方法计算该颤振点a处阻力舵机翼的颤振速度和频率；同时得到影响颤振的主要模态。

7、具体过程如下：

8、首先，通过p-k法求解颤振的方程如下：

9、

10、v表示机翼的飞行速度；m和k是通过结构有限元方法生成的质量和刚度矩阵；ρ表示大气密度；q表示广义坐标；p是量纲为1的算子，p＝g+ik；式中g＝γk，γ表示振动的衰减率；q(ik)为aic矩阵。

11、然后，在给定大气密度ρ及飞行速度v下，求解上式得到颤振的两根，分别与获取的减缩频率k值进行比较，选择更接近的k值重查气动力矩阵系数，由此反复迭代直到满意，此时即寻求到了机翼在气流中自由振动的第一支模态，同理可找出其他主要模态。

12、最后，在飞行高度不变的情况下，在原飞行速度v的基础上做适当的增加；重复以上步骤，从而找出在增量速度下，该机翼两支模态的频率及衰减率；

13、通过对速度v逐级增加，得到一系列相应的模态频率及衰减率，描绘v-γ图及v-ω图；其中，在v-γ图中与横坐标相交的点，对应的速度即为颤振点a处的颤振速度vf；

14、步骤四、在颤振点a处，机翼按照颤振频率做往复正弦运动，来流速度为颤振速度；采用基于计算流体力学方法计算主要模态运动下的非定常气动力系数，进一步得到高精度气动力系数；

15、具体公式为：

16、

17、步骤五、将高精度气动力系数替换该颤振点a处的低精度气动力系数，并得到高精度对低精度矩阵在该颤振点a处的修正系数s，利用该修正系数s计算每个减缩频率下的修正后数据；

18、修正系数s公式为

19、

20、其中aich(k0)代表颤振点a处的高精度数据，aicl(k0)代表颤振点a处低精度数据，aicl(kn)代表其余减缩频率下的低精度数据，aicc(kn)代表其余减缩频率下的修正后数据。

21、步骤六、将每个减缩频率下的低精度气动力系数矩阵分别与各自的修正后数据点乘，得到各自对应的高精度气动力系数矩阵，从而得到所有减缩频率下修正后的系列aic矩阵；

22、步骤七、返回步骤三，利用修正后的系列aic矩阵重新计算第一次迭代后的颤振速度及频率，并判断与迭代之前的颤振速度和频率相对差别是否小于5％，如果是，则满足收敛条件，得到最终修正后的颤振速度及频率。否则，再将第一次迭代结果代入新一轮的非定常气动力计算，进行第二次修正，直至相邻两次迭代结果达到收敛标准，得到最终修正结果。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

24、1.本发明一种考虑非定常气动力修正的阻力舵机翼颤振分析方法，能够考虑阻力舵机翼开裂角对于翼面压强的影响，且随开裂角增加颤振速度的变化规律与风洞试验结果基本吻合，大大提高了工程计算方法的准确性。

25、2.本发明一种考虑非定常气动力修正的阻力舵机翼颤振分析方法，与流固耦合方法相比，该修正方法不需要建立过于精细的有限元模型，颤振主要模态的振型与频率与试验相符，能够反映目标机翼结构特性即可，具有较高的计算效率。

技术特征：

1.考虑非定常气动力修正的阻力舵机翼颤振分析方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.如权利要求1所述的考虑非定常气动力修正的阻力舵机翼颤振分析方法，其特征在于，所述步骤二中，初始减缩频率值人为给定。

3.如权利要求1所述的考虑非定常气动力修正的阻力舵机翼颤振分析方法，其特征在于，所述步骤三具体过程如下：

技术总结
本发明公开了一种考虑非定常气动力修正的阻力舵机翼颤振分析方法，属于飞翼式飞机的阻力舵颤振分析领域；具体为：针对目标阻力舵机翼，通过计算流体力学方法得到该机翼不同模态运动下的非定常气动力，进而得到颤振点处的高精度气动力系数矩阵，对工程方法得到的一系列低精度气动力系数矩阵进行等比例修正。修正后的气动力系数矩阵基于匹配马赫数的频域颤振求解方法计算颤振；若两次颤振计算结果不满足收敛条件，将颤振速度和频率代入非定常气动力求解中进行迭代，直至收敛，得到不同开裂角下修正后的颤振速度。本发明考虑了阻力舵开裂角对流场的影响，在提高阻力舵机翼颤振分析准确性的同时也兼顾了计算效率。

技术研发人员：戴玉婷,汉怿哲
受保护的技术使用者：天目山实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15