飞行器气动弹性力学-杨智春等 2009.pdf

飞行器气动弹性力学 （2009版） 杨智春 赵令诚 编著 西北工业大学航空学院 2009年7月 前 言 飞行器气动弹性力学是飞行器设计工程领域中的一门交叉学科，它研究的对象是作用在 飞行器升力面上的气动力、飞行器结构的弹性力和惯性力三者之间相互作用的关系以及对飞 行器设计的影响。 在以飞机为代表的飞行器设计工程中，气动弹性力学占据着重要的地位。从总体设计开 始，到原型机通过定型，其整个设计过程中的每一个环节都要进行飞行器气动弹性特性的理 论计算和实验研究。尤其是对于新型号飞行器的研制，气动弹性特性更是制约飞行器性能的 一个重要环节。 随着飞行器速度的不断提高和飞行器结构重量及刚度的不断减小，飞行器气动弹性问题 在飞行器设计中也越来越突出。特别是近年来，我国航空航天事业的蓬勃发展，飞行器设计 中的气动弹性问题得到了前所未有的重视，极大地推动了我国飞行器气动弹性力学的研究和 发展，也对飞行器气动弹性力学的研究提出了新的课题和新的要求。飞行器气动弹性力学经 过半个多世纪的发展，形成了飞行器设计工程中一门既系统完整又不断发展的学科，它不仅 在飞行器设计领域不断推出新的研究方向，而且其基本原理和基本理论也已经被拓展应用到 土木工程、电力工程等民用工程的相关问题研究中，如在大风地区的高层建筑、大跨度桥梁、 冷却塔、输电缆的设计等，都必须考虑气动弹性问题。 由此可见，作为飞行器设计与工程专业的学生，学习飞行器气动弹性力学的基本原理和 方法，对于今后从事飞行器设计或其它相关工程结构的设计工作大有裨益。作为一门专业选 修课程，为了在有限的时间里，使读者了解飞行器气动弹性力学的主要研究内容、原理、方 法以及它在飞行器（飞机）设计工程中的一些具体应用，我们编写了飞行器气动弹性力学 这本讲义。讲义中涉及的内容都是飞行器气动弹性力学研究中一些基础的问题，而作为一门 工程性很强的学科，在进行实际飞行器的气动弹性特性分析时，还需要结合飞行器气动弹性 工程分析经验和相关学科的知识，综合运用飞行器气动弹性力学的基础理论，才能解决飞行 器气动弹性设计中的具体问题，这也是我们编写这本讲义的根本目的。 正如一位世界著名的气动弹性力学专家所说那样“气动弹性力学是科学与艺术的结 合” 。 我们可以这样理解 飞行器气动弹性力学问题的研究需要综合运用其基础理论 （科学） ， 结合具体飞行器设计工程中的实践经验（艺术），才能得到飞行器最佳的气动弹性设计方案。 由于课时限制，本讲义仅仅涉及飞行器气动弹性分析与设计中一些基本的概念、原理、 方法及技术。共由十章组成，前六章介绍飞行器气动弹性力学的基本概念原理和计算方法， 后四章着重介绍飞行器气动弹性设计的一个重要内容颤振设计的工程应用中的一些具体 问题以及一些特殊的气动弹性问题。 第一章简要介绍飞行器气动弹性力学概念、研究的内容和研究方法的特点以及气动弹性 力学的发展历史； 第二章介绍二元机翼的气动弹性静力学问题，包括二元机翼的载荷重新分布和扭转发散 问题、二元机翼的副翼效率和副翼操纵反效问题； 第三章介绍三元机翼的气动弹性静力学问题，包括三元机翼的定常气动力影响系数矩阵 计算、三元机翼的柔度影响系数矩阵计算、三元机翼的载荷重新分布与扭转发散、三元机翼 的副翼操纵效率和副翼操纵反效问题； 第四章介绍颤振的基本概念和机理，包括经典弯扭耦合型颤振的机理、机翼弯曲/副翼偏 转型颤振的机理、频率重合理论以及设计参数对颤振的定性影响； 第五章介绍二元机翼颤振分析的基本方法，包括不可压缩气流中振动二元机翼的准定常 气动力和非定常气动力计算方法、颤振方程求解方法。着重介绍西奥道生理论和减缩频率的 概念以及求解颤振临界速度的V－g法和p-k法的基本原理与步骤； 第六章介绍三元机翼颤振的计算方法并简要介绍了简谐振动机翼的非定常气动力计算方 法以及超声速气动力计算的活塞理论； 第七章介绍飞机操纵面颤振设计和分析中的问题，主要包括运用质量平衡概念，采用配 重设计来消除操纵面颤振的原理和方法，以及一些具体的设计实例； 第八章介绍飞机设计工程中防颤振设计的一般步骤和飞机强度规范中有关防颤振设计的 相关条款； 第九章简要介绍带外挂物机翼的颤振、全动尾面的颤振、T型尾翼的颤振、操纵面嗡鸣和 失速颤振等非经典颤振问题以及抖振问题； 第十章简要介绍飞机防颤振设计中的相关试验工作，包括飞机全机地面振动试验、低速 和高速风洞的颤振模型试验及飞机的飞行颤振试验。 第十一章简要介绍气动伺服弹性力学的相关概念和气动伺服弹性稳定性分析的频域分析 方法和时域分析方法。 i 目 录 前 言..................................................................................................................................................I 目 录..................................................................................................................................................i 第一章 绪论................................................................................................................................ - 1 - 第二章 二元机翼的气动弹性静力学问题................................................................................ - 4 - 2.1 引言............................................................................................................................... - 4 - 2.2 二元机翼的扭转发散问题........................................................................................... - 4 - 2.3 二元机翼的操纵面效率与操纵反效问题................................................................. - 12 - 第三章 三元机翼的气动弹性静力学问题.............................................................................. - 19 - 3.1 引言............................................................................................................................. - 19 - 3.2 空气动力影响系数矩阵的计算................................................................................. - 20 - 3.3 机翼柔度影响系数矩阵的计算................................................................................. - 26 - 3.4 三元机翼的气动载荷重新分布与扭转发散........................................................... - 30 - 第四章 颤振的基本概念和机理.............................................................................................. - 36 - 4.1 引言............................................................................................................................. - 36 - 4.2 颤振产生的机理......................................................................................................... - 37 - 4.3 颤振分析的频率重合理论......................................................................................... - 40 - 4.4 设计参数对颤振速度的影响..................................................................................... - 44 - 第五章 二元机翼的颤振分析.................................................................................................. - 48 - 5.1 引言............................................................................................................................. - 48 - 5.2 不可压缩气流中振动二元机翼的气动力计算......................................................... - 48 - 5.3 应用准定常气动力求解二元机翼的颤振................................................................. - 57 - 5.4 应用非定常气动力理论求解二元机翼颤振............................................................. - 63 - 5.5 考虑压缩性效应的颤振计算..................................................................................... - 74 - 第六章 三元机翼的颤振计算................................................................................................ - 77 - 6.1 引言............................................................................................................................. - 77 - 6.2 长直机翼的颤振计算................................................................................................. - 77 - 6.3 小展弦比机翼的颤振计算......................................................................................... - 78 - 6.4 三元机翼的广义气动力计算..................................................................................... - 80 - 6.5 用活塞理论计算机翼颤振临界速度......................................................................... - 82 - 第七章 操纵面颤振分析.......................................................................................................... - 88 - 7.1 各种涉及操纵面的颤振型态..................................................................................... - 88 - 7.2 操纵面的质量平衡概念............................................................................................. - 88 - 7.3 消除操纵面颤振的质量平衡设计............................................................................. - 91 - 第八章 防颤振设计的一般步骤及强度规范.......................................................................... - 95 - ii 8.1 飞机防颤振设计的一般步骤.................................................................................... - 95 - 8.2 飞机强度规范中有关防颤振设计的条款................................................................ - 96 - 第九章 非经典颤振问题及抖振.............................................................................................- 100 - 9.1 带外挂物机翼的颤振分析.......................................................................................- 100 - 9.2 全动尾面的颤振分析...............................................................................................- 103 - 9.3 T 型尾翼的颤振分析.................................................................................................- 106 - 9.4 操纵面的嗡鸣...........................................................................................................- 107 - 9.5 失速颤振...................................................................................................................- 109 - 9.6 抖振...........................................................................................................................- 109 - 第十章 防颤振设计中的试验工作.........................................................................................- 113 - 10.1 飞机全机地面振动试验..........................................................................................- 113 - 10.2 低速风洞颤振试验..................................................................................................- 114 - 10.3 高速风洞颤振试验..................................................................................................- 118 - 10.4 飞行颤振试验..........................................................................................................- 120 - 第十一章 气动伺服弹性稳定性分析概论.............................................................................- 123 - 11.1 引言..........................................................................................................................- 123 - 11.2 气动伺服弹性力学的概念......................................................................................- 124 - 11.3 飞行控制传感器与气动伺服弹性问题的形成 ......................................................- 125 - 11.4 舵面/飞机环节的传递函数.....................................................................................- 127 - 11.5 气动伺服弹性频域稳定性分析..............................................................................- 129 - 11.6 不利耦合的排除......................................................................................................- 131 - 11.7 时域气动伺服弹性分析状态空间法 ..................................................................- 132 - 11.8 时域气动弹性模型..................................................................................................- 133 - 11.9 坐标变换体轴系下的气动弹性状态空间模型 ..............................................- 136 - 11.10 气动伺服弹性状态空间模型................................................................................- 138 - 【附录】体轴系线速度到地轴系的变换.................................................................................- 141 - 参考文献.....................................................................................................................................- 146 - - 1 - 第一章 绪论 顾名思义，气动弹性力学是研究弹性体在气流作用下的力学行为的一门学科。弹性体在 气动载荷作用下会发生变形或振动，而弹性体的变形或振动运动，反过来又会影响作用在弹 性体上的气动载荷的大小与分布，正是这种气流与结构的交互作用，使得结构在气流中产生 各种各样的气动弹性现象。在工程技术界，除航空航天领域的飞行器结构外，民用工程领域 的桥梁（主要是悬索桥）以及烟囱、高塔、高楼等高耸结构会产生气动弹性问题。在现代的 飞行器设计中，为了达到高速和高机动飞行的目标，飞行器自身的结构重量以及结构的刚度 相对地越来越小，因此，其发生气动弹性问题的可能性越来越大。可以说，气动弹性的观点 越来越成为现代飞行器及许多民用建筑结构进行安全设计和优化设计的制约因素。本讲义仅 涉及飞行器气动弹性问题，如上所述，飞行器的气动弹性问题是指飞行器惯性力、弹性力和 气动力的相互作用问题。 动气弹 机械振动 飞行力学静气弹 A EI 图 1-1 Collar 气动弹性力三角形 “气动弹性力学”这个概念，是二十世纪三十年代首先由航空工程师提出的，目前已发 展成为一门独立的学科。它是建立在弹性力学、空气动力学、结构振动理论这些专门学科基 础上的一门交叉学科。1946年，英国学者Collar绘制出了表明气动弹性力学所涉及的各个学科 间相互联系的所谓“气动弹性力三角形”，使气动弹性问题有了明确的分类，这个三角形直 观地表达了气动弹性问题中各种力之间的联系，也区分了各学科的研究范畴，如图1-1所示， Collar三角形的三个顶点分别代表气动力（A）、弹性力（E）和惯性力（I）。把三角形任意 两个角点联系起来，都形成一个重要的学科。 例如，把气动力和弹性力联系起来，就是通常称之为气动弹性静力学（简称“静气弹”） 的研究内容。对于飞机的气动弹性静力学问题，它主要包含了机翼的静力扭转发散、操纵面 反效、机翼气动载荷重新分布以及飞机的飞行静稳定性等问题。进一步我们知道，不但机翼 的静变形会引起附加的气动力，机翼的弹性变形和运动也会引起附加的气动力，而附加的气 动力又会使机翼结构产生附加的弹性变形和运动，因此，在这种情况下，不仅要考虑气动力 和弹性力之间的相互作用，还要考虑它们和惯性力之间的相互作用，在Collar气动弹性力三角 形中，把气动力、弹性力、惯性力联系起来，就是气动弹性动力学（简称“动气弹”）研究 - 2 - 的内容。对飞机气动弹性动力学问题，主要包括机翼颤振、操纵面嗡鸣、抖振、飞机的突风 响应等研究内容。此外，在直升机旋翼桨叶、涡轮机叶片的设计中，都同样存在气动弹性问 题。其实，连接Collar气动弹性力三角形的任意两个角点都可以形成一个独立的学科，并且都 可以认定它们是气动弹性力学的一个特殊分支，仅仅是由于历史的原因，研究弹性力与惯性 力耦合的机械振动与研究惯性力与气动力耦合的飞行力学早已成为两门独立的学科，只有气 动弹性静力学问题与气动弹性动力学问题两部份内容才形成了通常所谓的气动弹性力学这一 特定的学科。由此可见，气动弹性力学实际上是跨越了三个完全独立的学科。 气动弹性力学的研究方法，也具有其自身的特点。我们知道，弹性（结构）力学的经典 理论是研究弹性体（结构）在给定的外力或位移作用下的应力与应变（变形）。在一般情况 下，施加在弹性体（结构）上的外作用力与变形无关，并且通常认为小变形不影响外力的作 用。但在大多数气动弹性问题中，认为外力（空气动力）是随着弹性体的变形情况（包括变 形、变形速度、变形加速度）而改变的，即气动力本身不是事先可以确定的，弹性变形对它 起着重要作用，在问题完全解出之前，外力不是已知的。这就是气动弹性问题的研究特点。 气动弹性力学关心的主要问题之一是弹性结构在气流中的稳定性。因为对一定的结构， 作用于其上的空气动力将会随着气流速度的增加而增加，而弹性结构的刚度却与气流速度无 关，所以可能存在一个临界气流速度，在此速度下，结构成为变形不稳定的。根据惯性力是 否允许忽略，这种不稳定性又可区分为静力不稳定性和动力不稳定性。前者主要是静力扭转 发散问题，后者主要是颤振问题，静力不稳定性和动力不稳定性都将会使结构产生极大的变 形，并最终导致结构的破坏，这在飞机设计中是决不允许的。当然，气动弹性力学还研究飞 行器的其它许多问题，如气动弹性静力学中的气动载荷重新分布问题，操纵面的操纵效率和 操纵反效问题，以及气动弹性动力学中的飞行器对外载荷的动力响应问题，由操纵面偏转、 突风、机炮射击等引起的响应都属于这类问题。 在民用工程领域中著名的气动弹性事故，是1940年美国的塔科玛悬桥在42哩/小时（约 18.7米/秒）的风速下发生剧烈振动而毁坏，事后的研究确认了这是一种与机翼颤振类似的事 故，由此促使人们在桥梁工程等民用工程结构设计中开始考虑气动弹性问题。 随着飞机设计的发展，气动弹性问题在飞机设计中的地位也发生了深刻的变化。在飞机 设计技术发展的早期，气动弹性问题尚未被重视与掌握，因而曾相继发生各种由于气动弹性 问题而导致的严重飞行事故。第一次世界大战期间，飞机设计由双翼机向单翼悬臂机翼发展 时，因载荷重新分布问题的出现，导致多架福克D-8飞机在高速俯冲时因机翼毁坏而失事。临 近第二次世界大战时期，新型飞机迅猛发展，飞机柔性相对增大，由于操纵面和尾翼颤振引 起的飞行事故经常发生，对这些问题的深入研究使得气动弹性力学开始发展成为一门独立的 学科。到第二次世界大战末期，飞机的速度突破了音速，舵面效率又成为气动弹性力学研究 的新问题。对于现代高速飞机，由于飞机性能的发展，薄翼和细长机身的大量采用，使得气 动弹性稳定性问题几乎成为所有飞机机翼的临界设计条件之一。特别是现代战斗机，为了尽 - 3 - 量加大推重比而严格控制飞机的结构重量，飞机结构柔性的相对增加，使气动弹性稳定性成 为飞机设计中一个很突出的问题。 总之，气动弹性问题往往是飞机设计中的不利因素，甚至极为有害。学习气动弹性力学 课程的主要目的，就在于掌握气动弹性问题的基本原理和研究方法，研究气动弹性效应对飞 机设计的影响，寻求减轻或避免其破坏作用的技术途径。 - 4 - 第二章 二元机翼的气动弹性静力学问题 2.1 引言 在气动弹性静力学问题中， 主要研究弹性结构在气动力和弹性力相互作用下的力学行为， 即研究结构的弹性变形对定常气动升力分布的影响，以及在气动力作用下，结构产生的静变 形及其稳定性。在研究气动弹性静力学问题时，通常认为结构的静变形是一个缓慢的过程， 所以运动引起的附加气动力很小，可以忽略不计。即在气动弹性静力学问题中，气动力可以 采用定常空气动力学理论来计算，且时间不作为一个独立的变量来考虑。从气动弹性力学及 飞机设计的观点看，这方面的研究对飞行器中升力面和操纵面的结构设计具有特别重要的意 义。从数学解析的观点看，表达气动弹性静力学问题的数学方程是比较简单的，按定义，这 时的气动弹性静力学方程中不出现时间这个自变量，在结构的力平衡方程中，不出现惯性力 项。 气动弹性静力学问题的主要研究内容可分为两类第一类是气动载荷重新分布问题；第 二类是操纵面的操纵效率和操纵反效问题。气动弹性静力学问题主要对大展弦比升力系统有 意义。因此我们以具有典型代表意义的二元机翼作为开始分析的对象，这既不影响所研究问 题的实质，又便于理解气动弹性静力学问题的现象和机理。随后研究长直机翼气动弹性静力 学问题的计算方法，最后推广到三元机翼气动弹性静力学问题的求解。 容易理解的是，就产生空气动力这一点而言，飞机在静止的空气中以某一速度飞行（即 飞机的实际飞行），与静止飞机处于相同速度的气流中（如气动弹性问题研究的各种风洞模 型试验），效果是完全一样的，今后为了研究和叙述上的方便，在后面各章节的讨论中，除 非专门说明，我们都将采用风洞模型试验的情形，即不用“飞机速度”这一术语，而采用“气 流速度”或“风速”这一术语。 2.2 二元机翼的扭转发散问题 在本节中，我们先以二元机翼为研究对象来讨论气动弹性静力学问题，可以对气动弹性 静力学问题有一个比较清楚的认识。 所谓二元机翼，是指这样一种假想机翼，它的每个剖面都是相同的，各剖面之间没有相 对的移动和转动，机翼的弯曲和扭转变形可以分别用机翼刚轴（弹性轴）的上下平移变形及 绕刚轴的转动变形来表示。但在气动弹性静力学问题中，机翼的上下平移变形并不引起附加 的气动力，故上下平移变形可以不考虑。因此，在研究气动弹性静力学问题时，二元机翼可 以用一个刚硬二元翼段（通常展向长度取为单位长度）来表示。从而，在气动弹性静力学问 题中，二元机翼和二元翼段是同义的，在实际研究时，只需画出其一个剖面（翼型）即可， - 5 - 如图2-1所示。二元机翼的扭转刚度通常用一个可提供扭转恢复力矩的扭转弹簧来表示。 c2b 图2-1 二元机翼 一、物理现象 设想将上述二元机翼安装在风洞中，扭转弹簧一端固定在风洞壁上，另一端固定在机翼 刚心处。使整个机翼连同刚心处的扭转弹簧一起扭转一个初始角度（初始攻角） 0 α，然后开 启风洞，设风速为V，由于机翼是通过扭转弹簧弹性连接在洞壁上的，所以在气动力（表现 为对刚心的气动力矩）作用下机翼的攻角会增大，而同时机翼又受到一个弹簧恢复力矩的作 用，在风速不太大时，在气动力矩和弹簧恢复力矩的共同作用下，机翼将在一个新的攻角 θαα 0 下达到平衡（如图2-2所示），显然，附加的攻角θ是因为机翼具有弹性支持而产 生的扭转变形，正是这个扭转变形体现了机翼结构在气流中的弹性体效应，即气动弹性效应。 如果弹簧刚度很大，或者风洞的风速很低，则扭转角θ会很小；如果弹簧刚度很小，或者风 洞的风速很高，则扭转角θ会很大，甚至扭转弹簧会扭转到超过其弹性极限而导致破坏。现 在我们假定弹簧刚度保持为 θ Κ，如果风速为V时处于平衡状态机翼的扭转角θ很小，则当 我们开始加大风速时，会看到机翼的扭转角会逐渐增大，当风速增大到某一较高值时，机翼 的扭转角会突然增大甚至使机翼发生翻转。这种现象，就是通常所称的“扭转发散”，又称 为“静发散”或“发散”。由此可知，当弹簧刚度一定时，附加攻角θ的大小与气流速度有 密切关系。前面提到的使机翼产生发散失稳的那一个较高的风速，在气动弹性静力学问题中， 用一个术语来表述，称为“扭转发散临界速度”或简称“发散速度”，记为 D V。上述过程也 可以用下面的符号来表达 A L E α e c2b θ K 图2-2 弹性支持的二元机翼 - 6 - 二、扭转发散临界速度 研究气动弹性静力学的目的之一就是要解出某一给定机翼的扭转发散临界速度，分析影 响扭转发散临界速度大小的诸多因素，找到提高扭转发散临界速度的设计措施。 对于二元机翼的扭转发散问题，由于不涉及操纵面的偏转，从而在研究时可设操纵面偏 转为零，也不必将其在翼剖面中画出。如图2-2所示，设机翼未发生扭转时的初始攻角为 0 α， 由气动力理论知，翼型（二元机翼）上二元（平面）流动的气动力可以表示为作用于气动中 心A的升力L（向上为正）和绕气动中心A的气动力矩 A M（使机翼抬头为正），而且根据 薄翼理论，绕气动中心A的气动力矩与攻角大小无关。由于气动力与气动力矩对刚心的力矩 作用会使机翼绕其刚心发生扭转，记扭转引起的附加攻角为θ，则机翼在气流中由于气动弹 性效应的总攻角α为 θαα 0 （2.1） 气动升力和绕刚心的气动力矩分别为 eLMM qS C qSCL AE L L ⋅ ∂ ∂ 0 θα α （2.2） 其中， L C为升力系数， α∂ ∂ L C 为升力系数的导数，ρ为空气密度，V为风速， 2 2 1 Vqρ 为速压（动压），S为机翼面积，e为机翼的气动中心到机翼刚心的距离，且刚心在气动中 心之后时e为正。 假定机翼在扭转变形到θ角时达到平衡， 则根据气动力矩与弹性恢复力矩相平衡的条件， 可写出对刚心E点的力矩平衡方程为 qSe C M eLMK L A A 0 θα α θ θ ∂ ∂ ⋅ （2.3） 上式移项整理后可得 A LL MqSe C qSe C K ∂ ∂ ∂ ∂ − 0 α α θ α θ （2.4） 由此可解出考虑气动弹性效应后，机翼的实际弹性扭转角为 θ θ α α α θ KqSe C KMqSe C L A L /1 / 0 ∂ ∂ − ∂ ∂ （2.5） - 7 - 上式中的分子表示当不考虑弹性扭转引起的附加气动力时，在由初始攻角 0 α所产生的气 动力和气动力矩作用下，机翼产生的扭转角，记为 θ α α θ K MqSe C A r ∂ ∂ 0 （2.6） 则（2.5）式可写为 θ α θ θ K C qSe L r /1 1 ∂ ∂ − （2.7） 这个比值表示的是在考虑气动弹性效应后，机翼弹性扭转变形的放大因子。一般说来， 刚心是位于气动中心之后的，即0e，故1 r θ θ ，而且由（2.7）式还可明显看出，当机翼 结构参数确定后， 随着速压q（也就是风速） 的增加， （2.7） 式的分母会减小， 从而使比值 r θ θ 增大，当q达到某一特定值时，（2.7）式的分母成为零，弹性扭角θ就趋于无穷大，机翼成 为扭转不稳定的。在气动弹性静力学中称这种情况为机翼的扭转发散，这一个特定的速压称 为扭转发散临界速压（简称发散速压，记为 D q），相应的速度称为扭转发散临界速度（简称 发散速度，记为 D V）。由（2.7）式分母为零这个扭转发散的临界条件 0/1 ∂ ∂ − θ α K C qSe L （2.8） 可解出扭转发散临界速压为 Se C K q L D α θ ∂ ∂ （2.9） 从而得到机翼的扭转发散临界速度 Se C K V L D α ρ θ ∂ ∂ 2 （2.10） 根据（2.9）式，我们现在可以将（2.7