[科普中国]-挠性翼型

柔性翼型的气动弹性建模与颤振特性分析简介

气动弹性问题几乎伴随着航空飞行器发展的全过程，尤其在现代飞机的设计过程中占有非常重要的地位。从早期的二元机翼－舵面系统到今天的大展弦比复合材料柔性机翼，气动弹性问题的分析方法越来越成熟，分析手段也越来越丰富，但在气动弹性的分析过程中，研究人员一直沿用“机翼剖面本身是刚性的”这样的一个假设条件。对于传统飞行器而言，机翼的中央翼段和控制面(包括副翼和前、后缘襟翼)沿着翼弦方向的刚度是非常大的，这个假设条件是可以满足的。

近些年来，随着智能材料和柔性结构技术的快速发展，机翼不但在翼展方向的刚度设计越来越趋向于柔性化，而且在翼弦方向的刚度也越来越低，如 NASA的任务自适应机翼。柔性自适应机翼主要依靠机翼翼面自身的变形来改变机翼弯度和扭转角，以提供几乎理想的机翼弯度形状。该机翼已安装在 F－111 上进行了多次飞行验证，效果良好。随后，又出现多种不同结构形式的柔性控制面。由于柔性控制面的引入，机翼弦向弯曲刚度急剧降低，弦向的弯曲变形对机翼气动弹性问题的影响愈来愈显著。传统的气动弹性模型已不能适用于这类机翼了，不得不考虑机翼弦向弯曲刚度的影响。R． Palacios 等研究了弦向弯曲变形对机翼静气动弹性变形的影响，但关于考虑弦向弯曲自由度在内的柔性翼型和机翼的动气动弹性问题的研究还比较少。该研究主要建立了柔性翼型(是指弦向柔性的翼型)的气动弹性模型，进而研究弦向弯曲刚度对二元翼段颤振特性的影响。1

研究结果1)对于平板薄翼而言，单一的弦向弯曲运动是不稳定的，其颤振临界速度是和其弯曲振动频率成正比的；

2)当弦向弯曲振动频率小于俯仰振动频率时，发生颤振的是弦向弯曲分支，且该分支发生颤振的突发性比较大；颤振速度是随着弦向弯曲频率的增加而增加的；

3)当弦向弯曲振动频率接近俯仰振动频率时，发生颤振的仍然是弦向弯曲分支，颤振速度急剧降低，但颤振的突发性变小了；

4)当弦向弯曲振动频率高于俯仰振动频率的 2～ 3 倍时，沉浮－俯仰－弦向弯曲模型所预测的颤振速度略高于沉浮－俯仰模型的预测值；当弦向弯曲振动频率为俯仰振动频率的 2.5 倍时，弦向弯曲和俯仰分支同时发生颤振，但俯仰分支发生颤振的突发性更大；当弦向弯曲振动频率大于俯仰振动频率的 2.5 倍时，发生颤振的分支转为俯仰；

5)弦向弯曲频率大于俯仰频率的 5倍时，发生颤振的是俯仰分支，颤振速度逼近沉浮－俯仰模型的预测值，可以不考虑弦向弯曲自由度的影响。1

大展弦比大挠性飞行器特点1）结构刚度小、柔度大，变形带来的气动变化明显。由于该类型飞行器通常质量相对较轻，且尺度很大，在飞行过程中，飞行器结构在气动力的作用下发生大的变形。特别对于展弦比较大的机翼而言，其扭转效应非常明显，这就使得在飞行过程中，整个机翼的飞行迎角沿展向是不同的，气动重新分布，舵效也会发生显著的变化。

2）结构模型的非线性特性显著。对于这种大弦比大挠性的飞行器而言，结构变形会非常大，和结构的尺寸是同一个量级，在变形中所呈现的几何非线性效应不能被忽略，传统的线性假设对于该类问题的分析已经不再适用。也就是说，对于这种大变形的结构而言，其刚度与阻尼项已经不再是位置和位置导数的线性函数，因此对于问题的求解还要涉及到由于转动坐标系所带来的附加的力等。

3）动态响应的复杂性和扰动的敏感性。在考虑飞行静气动弹性和气动效果显著改变的同时，飞行器的动态响应问题和振动稳定性问题也是一个急需解决的方面。有关研究指出，对于这种大柔性的结构，其动态响应分析是非常复杂的，对于阵风等扰动具有非常大的敏感性。

4）控制系统与其他系统耦合效应的显著性。对于大展弦比大柔性的飞行器而言，控制系统已经不能够再基于传统刚性飞机的参数来进行设计，而是要和结构气动等系统耦合设计。耦合性主要体现在以下几个方面：第一，频率的耦合。这种大展弦比大挠性飞行器，其自然频率是非常低的，特别是机翼的振动，以至于可以与机体的运动频率相互耦合，例如俯仰和滚转运动；第二，当有大变形存在时，飞行器的质量惯量特性的改变也是非常明显的。该类型无人机与传统所飞行器不同的是，由于大变形的存在，这种飞行器的质量惯量特性是随时间变化的，而不能像处理传统飞行器一样作为常量。第三，在结构变形过程中，飞行器所受到的气动力分布是变化的，特别的，在机翼振动过程中，飞行器的气动性能发生显著变化，这对于飞行器的气动导数以及舵面效率将会带来非常大的影响。2