小展弦比蒙皮骨架舵面颤振抑制方法研究.pdf
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1、第 6 卷 第 2 期2023 年 6 月空天防御AIR&SPACE DEFENSEVol.6,No.2Jun.,2023小展弦比蒙皮骨架舵面颤振抑制方法研究夏鹏,江玉刚,涂静,袁学军,许自然(上海机电工程研究所,上海201109)摘要:为提升小展弦比后掠梯形蒙皮骨架结构空气舵面颤振临界动压,在舵面不同空腔位置填充配重,比较不同配重位置对舵面模态及颤振临界动压的影响。对比结果表明:对于小展弦比梯形舵面,在前缘与根弦交点位置添加配重能提升颤振临界动压,而在前缘与尖弦交点位置添加配重则起到反作用,所以盲目添加配重并不能降低舵面颤振发散风险。工程实际中,应结合舵面原有的模态特点,将配重填充位置选在能
2、使舵面弯扭模态振型耦合程度减弱的位置。关键词:舵面;颤振抑制;配重;空腔中图分类号:V 215.34 文献标志码:A 文章编号:2096-4641(2023)02-0100-05Research on Flutter Suppression of Frame-Skin Rudder with Low Aspect RatioXIA Peng,JIANG Yugang,TU Jing,YUAN Xuejun,XU Ziran(Shanghai Electro-Mechanical Engineering Institute,Shanghai 201109,China)Abstract:In or
3、der to improve the flutter critical dynamic pressure of swept trapezoidal frame-skin rudder with a low aspect ratio,the effect of balanced mass on the rudder mode and flutter critical dynamic pressure were compared at multiple-cavity positions in this paper.In conclusion,the balanced mass added at t
4、he intersection of leading edge and root chord can increase the flutter critical dynamic pressure,but the balanced mass added at the intersection of leading edge and tip chord is counterproductive,blindly adding balance mass won t reduce the risk of rudder flutter.The cavity filled with balanced mas
5、s should be determinedat the specific position where the degree of bending and torsion mode shape coupling can be reduced.Keywords:rudder;flutter suppression;balance mass;cavity0引言结构轻量化设计一直是设计者追求的重要目标1。为了满足轻量化设计要求,目前导弹舵面多采用蒙皮骨架结构。舵面弯扭耦合型颤振是一种常见的气动弹性不稳定现象,是作用在舵面上的气动力与舵面弹性力和惯性力相耦合引起的某些模态自激振动。如果导弹在飞行过程
6、中发生舵面颤振,结构会在短时间内被破坏,引发灾难性后果。因此,颤振的抑制问题备受学术界和工程界关注。颤振抑制研究最早发展于航空领域,众多学者对飞机翼面的颤振抑制开展了大量研究2-7。随着战术武器型号发展,超声速导弹舵翼面颤振抑制问题逐渐受到工程界的重视。刘献伟等8指出颤振是空空导弹设计中结构动力学分析的重要问题。在新型舵翼面结构设计过程中,要合理布局连接件和配重件,按照最有利于提高强度、刚度的方案来进行质量布局和质心 调 整,并 同 时 考 虑 前 缘 驻 点 气 动 加 热 问 题。侯政等9利用拓扑优化技术在折叠舵设计初期开展颤振边界优化,在保证静刚度的前提下,通过优化舵面收稿日期:2022
7、-03-17;修订日期:2023-04-26基金项目:国家重点研发计划(2022YFB3705304)作者简介:夏鹏(1994),男,硕士,工程师,主要研究方向为结构动力学与气动弹性。第 2 期夏鹏,等:小展弦比蒙皮骨架舵面颤振抑制方法研究质量分配来增大舵面前两阶模态频率差值,提升舵面颤振发散边界。史晓鸣等10-11研究了舵轴及配重位置对全动舵面模态特性及气动弹性稳定性影响,研究表明,当舵轴沿根弦相对位置从前向后移动过程中,舵面失稳形态由颤振转变为发散,引起临界动压突增;配重添加在不同位置对提高舵面临界动压效果不同,简单地前移质心以及增大扭转-弯曲频率均不能保证提高临界动压。蒙皮骨架舵面通常采
8、用辐射梁式或网格式骨架,蒙皮通过铆接、螺接或者焊接方式与骨架装配而成,其内部天然存在大量的空腔。当蒙皮骨架舵面设计中存在颤振风险时,可以通过在空腔结构中铆接质量块的方式,在不破坏气动布局、不增加气动阻力的前提下,调整舵面质量分布,改变舵面模态特性,实现提升舵面颤振边界的目的。本文以小展弦比后掠梯形蒙皮骨架舵面为研究对象,通过有限元分析计算舵面模态,应用当地流活塞理论计算非定常气动力,建立了颤振运动方程并得到颤振临界参数。分析配重位置沿弦向和前缘分布对舵面模态和颤振特性的不同影响,为蒙皮骨架舵面的颤振抑制设计提供依据。1计算模型某典型蒙皮骨架舵面如图1所示。骨架采用辐射梁式设计,舵轴为中心向外掏
9、空了33处,蒙皮与骨架之间通过焊接装配而成。在有限元仿真软件 MSC.Patran里构建蒙皮骨架舵面结构动力学有限元模型,在舵面舵轴位置施加两根弹簧约束,来用于模拟舵机对舵面的支撑刚度。利用有限元分析软件 MSC.Nastran 计算获得蒙皮骨架舵面模态,前两阶模态振型如图2所示。应用当地流活塞理论计算非定常气动力12-15,将其转化为模态坐标表示的广义气动力,表达式为Q=Tpd-2qMa 1MacB+C(1)式中:为模态振型矩阵;Ma、c、q分别为无限远来流马赫数、音速、动压;p为舵面上任意一点的非定常气动力;B、C为广义气动力系数矩阵,由当地活塞理论计算得到。舵面在模态坐标系下的颤振运动方
10、程为M+K=Q(2)式中:为模态坐标;M为舵面质量矩阵;K为舵面刚度矩阵。定义状态向量E=,T,采用频域复特征值算法求解特征方程,将式(2)表示的颤振运动方程转化如下:E=0I-KM-1-2qMaM-1C-2qMa2cM-1BE(3)根据有限元分析结果,得到来流马赫数Ma=3、密度=0.336 2 kg/m3、攻角=0时的颤振边界,其对应的q-f、q-g(动压-频率、动压-阻尼系数)曲线动压如图3所示。颤振临界动压为297.12 kPa,颤振形态为自身扭转-弯曲模态耦合颤振。为了研究质量块配重位置对蒙皮骨架舵面模态及颤振特性的影响,分别在沿弦向和沿前缘分布的7个位置(图1)骨架上添加质量为舵面
11、总质量5%的质量块,考察舵面模态及颤振特性的变化。图1蒙皮骨架舵面Fig.1Frame-skin rudder图2蒙皮骨架舵面模态振型Fig.2Frame-skin rudder mode shape 101空天防御第 6 卷2空腔填充位置对舵面模态及颤振特性的影响分析记无配重情况下颤振临界动压为qcr,有配重情况下颤振临界动压q cr,其比值为S=q cr/qcr。不同配重位置下舵面第一阶模态频率f1、第二阶模态频率f2、前两阶模态频率差值f(f=f2-f1)及比值S的变化见表1。由表1可见,在根弦与前缘交点位置(位置4)添加配重对提高临界动压效果最为显著,临界动压提升24.9%;沿弦向分布
12、4个位置处添加配重(位置14),越靠近前缘,临界动压的提升效果越明显;沿前缘分布4个位置处添加配重(位置47),除了根弦与前缘交点位置(位置4),其他位置添加配重并不能提高临界动压,配重添加在位置6临界动压下降了37.4%。在二元翼面颤振分析中有着经典频率重合理论16:当风速增大时,会使两个分支频率改变,直到两个频率重合。这两个分支的耦合振动有可能从气流中吸取能量,达到颤振临界点。因此,文献中往往使用两阶频率差值来描述两阶模态频率的耦合程度。由表1可见,给舵面添加配重会使舵面前两阶模态频率降低,并降低前两阶模态频率差值,配重添加在根弦附近空腔前两阶模态频率差值最大。配重添加在位置2、3、4处,
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