大型民用飞机概念方案气动弹性综合分析方法研究

工作是以某干线民用飞机机翼为参考，得到缩比的刚度比，建立本文民用飞机静气弹分析的机翼梁架模型，尾翼模型刚度分布可同理得出。机身刚度估算较为简单，可根据参考民用飞机与本文民用飞机圆形截面尺寸直接缩放即可。全机结构分析模型如图3所示。

1.3 质量分布计算方法

因为需要考虑颤振特性，需要得到机翼的质量分布特性。按照Torenbeek[4]书中提出的估算方法，机翼质量可分为主承力结构质量、次要结构质量、系统质量和燃油质量。这些部分均可以通过经验公式得出结果。采用节点集中质量单元表达这些质量分布特性并按照静矩等效和惯量相似原则分配到结构节点，形成结构动力学模型。

1.4 气动—结构插值方法

对于机翼气动一结构的相互作用采用“松耦合”的分析思路：先计算刚体气动载荷，然后将载荷作用在弹性机体上计算变形，再根据得到的变形修改气动力计算模型重新计算气动载荷直至收敛，气动、结构数据信息传递关系如图4所示。

具体分析流程为：（1）读取计算参数，调用blwf计算气动载荷;（2）读取气动载荷数据并转化为结构节点上的集中载荷;（3）调用Nastran进行弹性变形计算;（4）读取机翼弹性变形结果，修改blwf气动力模型;（5）计算残差，如果不满足收敛要求，则返回第（1）步，如果满足收敛要求则结束。

其中，第（2）步在将气动载荷转化为结构上集中载荷的气动力插值方法有多种选择，包括径向基函数插值[5]以及多点排插值[6]的方法，本研究采用的是展向线性插值结合弦向多点排插值的方法。该气动一结构插值计算方法已经过民用飞机算例的验证，翼尖位移与扭转变形与传统分析方法符合良好。

2 全机静气弹分析

依据本文气弹建模分析方法编制的程序具有易于使用，针对特定方案可进行快速建模与分析的特点，非常适合于机型概念方案及其系列化机型的分析工作。本文以大型民机基本型为基础，以加长型和缩短型的结果进行对比，观察机身长度变化对弹性机体气动载荷的影响规律，本文均不考虑配平情况。从图s中可看出，相对于基本型，相同迎角下加长型和缩短型的升力系数均有增大，而且相对于刚性机体（如图6所示），弹性机体的系列化机型在相同迎角情况下升力系数变化更大。从图7中可看出，三种系列化机型的力矩特性有显著差别，其中加长型的力矩曲线较为陡峭，代表着更高的静稳定裕度，说明在机翼、尾翼不变的情况下机身加长可以略微提高纵向静稳定裕度。在刚性机体与弹性机体的对比中发现：弹性变形使得全机力矩曲线变得平缓（斜率绝对值降低），说明机体弹性对于纵向静稳定性产生了不利的影响[7，8]。

3 停机状态发动机短舱变形分析

发动机短舱的离地高度是飞机设计中的一个约束条件。当飞机处于地面运行状态，机体结构弹性变形对于短舱离地高度有多大影响是本节需要考虑的问题。本节以上述大型民用飞机结构静力学模型算例为基础，加人全机质量分布使其可以考虑重力的影响。计算状态分别为：型架状态和停机状态。型架状态是指飞机除机翼以外其他部位均由型架支撑，机翼无型架支撑仅受重力作用发生变形的状态。具体分为两种：机翼油箱空油和机翼油箱满油。

在对于停机状态进行计算时，机体机构受到重力和起落架支反力的作用。主要考虑以下4種状态：空载满油状态、满载空油状态、空载空油状态和满载满油状态。其中，满载是指飞机处于最大商载，满油是指机翼油箱满油。

通过对比各工况下机体弹性变形后的发动机位移，发现各种运行状态发动机主要变形方向为竖直方向，该方向最大变形出现在停机满载满油状态下，发动机向下位移接近10cm，这是因为在停机状态下，机翼、发动机除受重力作用外，还受到主起落架支反力的作用产生了扭转变形，进而导致发动机参考点进一步向下移动，变形如图8所示。这种飞机地面状态发动机向下的弹性变形有可能对一些短舱离地间隙较为敏感的机型会造成不利影响[9，10]。

4 考虑挂架刚度影响的全机颤振分析

颤振分析模型中，挂架采用发动机与机翼之间的单根梁单元进行模拟。挂架梁弯曲刚度是根据近似机型发动机模态频率反推得到的。计算发现，这根挂架梁的刚度值对于颤振裕度影响很大，表1中列出了不同挂架梁刚度值对于颤振动压的影响规律。相对于较为刚硬的挂架，挂架的柔性反而使得飞机颤振临界动压提高，说明挂架的一个合理的刚度设计可以提高飞机颤振裕度。通过对三种不同挂架刚度数据的计算结果对比可看出：在各种挂架梁刚度取值下，全机颤振特性均为经典弯扭耦合颤振型，发生阻尼穿越的模态也均为对称弯曲或扭转模态，一弯、二弯、三弯、一扭均参与耦合，发动机对称俯仰模态偶尔也参与耦合，但是发动机侧摆模态不参与。挂架俯仰刚度在一定范围内的提升会使得颤振速度有所提高，但是当挂架刚度增大到一定值时，颤振速度便不再提高甚至在刚度继续增大时出现颤振速度下降，说明发动机挂架结构设计应满足这个刚度值要求。

5 结论

本文利用气动和结构各自学科的工程方法对大型民用飞机概念方案进行气动弹性建模与计算，利用全速势方法进行初步气动载荷分析，利用亚声速偶极子格网法进行非定常气动力的计算，利用梁架模型和刚度缩比方法对结构进行初步建模，利用统计方法计算得到各结构部件的分类重量并在结构模型中完成质量分配，形成可用于静气弹变形分析、载荷计算、颤振分析的气动弹性模型。通过计算可以得出如下结论：

（1）在飞行状态下，结构弹性对于全机力矩系数以及力矩系数导数均会造成影响，结构弹性变形对于全机的纵向静稳定性是不利的。

（2）飞机地面状态发动机向下的弹性变形有可能对一些短舱离地间隙较为敏感的机型会造成不利影响。

（3）挂架梁的刚度值对于颤振裕度影响很大，发动机挂架结构设计应满足特定的刚度值才能使得颤振裕度达到最高。

参考文献

[1]杨超，吴志刚，万志强，等.飞行器气动弹性原理[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[2]刘子强，崔尔杰.大型飞机的气动弹性力学问题[C]//中国航空学会2007年学术年会，2007.

[3]Livne E.Future of airplane aeroelasticity[J].Journal of Aircraft，2003，40（6）：1066-1092.

[4]刘东岳，万志强，杨超，等.大展弦比机翼总体刚度的气动弹性优化设计[J].航空学报，2011，32（6）：1025-1030.

[5]张旭，岳良明，王斌.某支线飞机概念设计阶段机翼气动弹性设计[J].航空工程进展，2016，7（3）：349-354.

[6]Torenbeek E.Advanced aircraft design[M].Chichester，UK：John Wiley&Sons Ltd.，2013.

[7]Howe E.Aircraft conceptual design synthesis[M].London，UK：Professional engineering publishing Ltd.，2000.

[8]程攀，陈迎春，薛飞，等.气动弹性载荷插值方法对比研究[C]//第十二届全国空气弹性学术交流会，2011.2011.（in Chinese）

[9]雷莉，韩庆，钟小平.翼面结构节点载荷转换分配方法的比较分析[J].航空工程进展，2014，5（3）：384-389.

[10]陈召涛，孙秦.惯性释放在飞行器静气动弹性仿真中的应用[J].飞行力学，2008，26（5）：71-74.

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