CN110750881A - 一种水面飞行器水动弹性响应分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水面飞行器结构动力学响应分析技术，具体涉及一种水面飞行器水动弹性响应分析方法。本发明方法依据飞机的总体外形、结构形式及质量分布进行全机结构有限元建模；根据飞机的重量重心状态及水面滑行参数等计算飞机的吃水线位置；根据飞机吃水线以下的结构参数，利用附加质量理论计算水对机体产生的附加质量；将附加质量和全机质量叠加，求解全机动力学方程，分析飞机的各阶湿模态；基于湿模态分析结果，将飞机使用过程中的水动载荷简化并施加于结构模型，采用模态叠加法求解机体过载、变形、剪力、弯矩、扭矩的响应历程。本发明方法可以得到水面飞行器机体结构在水面运动时的弹性响应特性，为水面飞行器结构强度设计提供依据，提高水面飞行器的安全性和可靠性。

Description

一种水面飞行器水动弹性响应分析方法

技术领域

本发明主要涉及水面飞行器结构动力学响应分析技术，具体涉及一种水面飞行器水动弹性响应分析方法。

背景技术

水面飞行器，特别是水上/水陆两栖飞机在水面起降和滑行过程中，经常受到水面气流、波浪等的扰动，容易引起机体结构附加振动，影响人员和设备的工效性及机体结构寿命。分析水面飞行器的动力学响应特性，可以为防止机体结构共振破坏、振动疲劳等提供依据。

但是，水面飞行器在水面航行时，船体结构的运动会诱导其周围的水体运动，而水体又以附加运动的形式反作用于船体表面。进行水面飞行器水上动力学分析时，必须考虑水体与结构之间的耦合作用，计入机体的弹性效应，开展结构水动弹性响应分析。以往，水面飞行器设计时，一般依靠工程算法进行刚性飞机水载荷设计，不考虑结构弹性变形的影响，无法评估机体结构在水面运动时的弹性响应特性。国内外很少关注水面飞行器的水动弹性响应特性，无完整的分析方法。

发明内容

本发明的目的是：提供一种能够有效指导水面飞行器结构强度设计，提高结构安全性和可靠性的水动弹性响应分析方法。

本发明的技术方案是：一种水面飞行器水动弹性响应分析方法，其对水面飞行器进行全机结构有限元建模，计算水面飞行器附加质量和全机质量，代入求解水面飞行器动力学运动方程，获取水面飞行器湿模态，再依据水面飞行器湿模态参数，将飞行器使用过程中的水动载荷施加于有限元模型，求解该模型的瞬态响应特性。

所述的水面飞行器水动弹性响应分析方法包括如下步骤：

步骤1、依据水面飞行器的总体外形、结构形式及质量分布进行全机结构有限元建模；

步骤2、依据水面飞行器的装载状态及水面滑行参数计算水面飞行器的吃水线位置；

步骤3、利用水面飞行器吃水线以下的结构参数计算水对水面飞行器产生的附加质量；

步骤4、将附加质量和全机质量叠加代入运动方程求解，分析水面飞行器的湿模态特性；

步骤5、依据湿模态分析结果，求解机体结构的水动弹性响应特性。

步骤2中，水面滑行参数包括但不限于重量重心、滑行速度、襟翼偏角、升降舵偏角。

步骤2中，通过计算水面飞行器的重力、升力及所需的浮力，根据浮力及几何外形计算水面飞行器吃水线位置。

步骤3中，根据水面飞行器吃水线位置，在有限元模型中定义与水接触的结构单元，然后利用附加质量理论计算水对水面飞行器产生的附加质量。

所述附加质量表示形式为：

[M_a]＝[D]^-1·[E]

其中，M_a为水对机体产生的附加质量矩阵，D为有限元模型节点速度向量与流速向量数值积分得到的系数矩阵，E为有限元模型节点作用力与流速向量数值积分得到的系数矩阵。

步骤4中，考虑水为各向同性、不可压缩的理想流体，以及附加惯性力的作用，将附加质量和全机质量叠加，代入固有模态运动方程：

式中，M为机体质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，x为位移向量，求解方程的特征根、特征向量，得到水面飞行器的湿模态。

步骤5中，基于水面飞行器的湿模态分析结果，将水面飞行器使用过程中的水动载荷简化并施加于有限元模型，求解模型的瞬态响应方程得到水面飞行器水动弹性响应历程。

其中，瞬态响应方程如下：

[φ]^T[M+M_a][φ]·{ξ(t)}+[φ]^T[C][φ]·{ξ(t)}+[φ]^T[K][φ]·{ξ(t)}＝[φ]^T{P(t)}

式中，φ为湿模态振型，ξ为模态坐标，P(t)为时域内的瞬态激励载荷，是时间t的函数。

所述水动弹性响应参数包括但不限于过载、应力、变形、剪力、弯矩、扭矩。

本发明的有益效果：

本发明的水面飞行器水动弹性响应分析方法，主要针对水上/水陆两栖飞机，考虑机体结构运动与水体附加运动的相互影响及机体结构的弹性效应，分析飞机结构的湿模态及动响应特性，获取机体湿模态参数及过载、变形、剪力、弯矩、扭矩等的响应历程，填补了水上/水陆两栖飞机动态载荷和结构响应的设计空白，有利于提高水面飞行器的安全性和可靠性。

本发明主要解决的技术问题：

针对该问题，本方法计入机体结构的弹性效应，开展飞机在水动弹性影响下的结构动态响应分析，求解机体结构在水面运动过程中的过载、变形、载荷等响应历程，指导水上/水陆两栖飞机结构强度设计。

附图说明

图1是本发明示例中的一种有限元模型局部示意图，

其中，1-质量元、2-梁单元、3-刚性元、4-壳单元。

图2是本发明示例中的一种水陆两栖飞机干模态、湿模态频率的计算结果，为了便于比较，对计算结果进行了归一化处理。

图3是本发明示例中的一种水陆两栖飞机机身典型部位的加速度响应历程。

图4本发明示例中的一种水陆两栖飞机机翼典型部位的载荷响应历程。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法，或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本发明提供的水面飞行器水动弹性响应分析方法，以水陆两栖飞机作为典型的水面飞行器为例，对其水动弹性响应特性进行分析，其具体实施过程如下：

步骤一、依据水陆两栖飞机主承力结构的基本形式，取机翼、尾翼肋站位的剖面和机身框站位的剖面，考虑蒙皮、长桁、梁等纵向结构件的影响，利用闭室剖面理论计算机身、机翼、尾翼的剖面刚度分布；

步骤二、采用变剖面梁单元进行全机结构刚度建模，模拟全机的弯曲刚度、扭转刚度分布，梁单元的节点位于刚心处，提高计算效率；

步骤三、依据水陆两栖飞机的总体外形，利用壳单元进行全机主要部位的几何外形有限元建模，壳单元的厚度值很小，一般设置为≤0.001mm，不会产生明显的附加刚度，不影响模型的刚度分布；

几何外形有限元建模时，必须考虑水陆两栖飞机的触水形式，对于触水或可能触水的机体外表面，必须进行完整建模，其它不与水接触的部分可进行简化，提高计算效率；

步骤四、采用刚性连接元，将步骤二中的梁单元节点与步骤三中的壳单元节点按照纵向就近原则连接在一起，保证各站位处的壳单元节点位移与梁单元节点位移一致，以模拟飞机完整外形，特别是准确模拟水面飞行器船体的外形；

步骤五、依据飞机的质量分布计算结果，按照空间就近原则选取梁单元节点作为集中质量的加载节点，用集中质量单元模拟飞机的质量分布，提高计算效率和模拟精度；

步骤六、将刚度模型、外形模型及所有质量单元组合成全机结构有限元模型，一种模型的局部形式如图1所示，较为精准反映了水面动力飞行器的结构特性；

步骤七、利用步骤六中的全机结构有限元模型进行固有模态分析，求解飞机各阶模态的固有频率及振型；

固有模态分析时，运动方程为：

运动方程采用特征值方法进行求解，其中，M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，x为位移向量；

步骤八、利用全机地面共振试验结果修正步骤一中的刚度分布计算结果，使飞机主要固有模态分析结果与试验结果基本一致，提高分析模型的有效性；

如暂无全机地面共振试验结果，可跳过步骤八，后续补充完善；

步骤九、根据飞机的水面滑行参数，包括滑行速度、襟翼偏角、升降舵偏角等，计算飞机产生的升力，并按照配平状态计算飞机的姿态角；

步骤十、根据飞机的重量装载状态计算飞机的重力，重力与步骤九升力的差值即为飞机在水面滑行时、机体应有的浮力；

步骤十一、依据飞机的几何外形及俯仰姿态，按照吃水线位置以下的机体体积等于排水量的要求，计算满足步骤十浮力要求的飞机吃水线位置；

步骤十二、依据计算得到的飞机吃水线位置，在全机结构有限元模型中定义与水接触的所有壳单元，吃水线位置以下的壳单元外表面均与水接触；

步骤十三、依据附加质量理论，计算全机有限元模型中、水对吃水线以下所有壳单元产生的附加质量M_a，对于水下结构，附加质量描述的是作用在物体表面，与物体加速度相位相同的、每单位加速度的水动力，相当于在物体表面附加了一个新的质量。

计算水对物体产生的附加质量时，根据流体力学的连续方程、能量方程，用Helmholtz边界积分法求解Laplace方程，可得流体边界任意点处的速度势、压力场为：

式中，

为有限元模型节点i处的速度向量，σ_i为节点i处的流速向量，e_ij为从i点到j点的单位向量，s_i为结构表面微元的面积，p_i为微元表面的压力，ρ为流体密度。

分别对速度势、压力场进行积分可得：

式中，F为节点的作用力，D、E分别为数值积分得到的系数矩阵。

根据力矩阵、质量矩阵、加速度矩阵之间的关系：

求解可以得到附加质量矩阵为：

[M_a]＝[D]^-1·[E]

步骤十四、考虑附加质量的作用，将附加质量和全机质量叠加，计算飞机水面运动时的整体质量M_total：

[M_total]＝[M]+[M_a]

步骤十五、忽略水附加弹性力、附加阻尼力的影响，将飞机的整体质量代入模态运动方程，求解方程的特征根、特征向量，即可得到飞机的湿模态特性，本实施例中，水陆两栖飞机的湿模态分析结果如图2所示，可以看到不同状态的湿模态频率明显不同于干模态频率。

湿模态分析时，运动方程转化为：

步骤十六、将飞机使用过程中的水动载荷简化，并施加于结构有限元模型，载荷加载节点按照纵向就近原则选取；

加载使用的水动载荷，可以是数值计算得到的瞬态载荷，也可以是试验得到的瞬态载荷，简化时必须保证总载荷及载荷分布不变，包括压力、过载；

步骤十七、利用瞬态响应分析理论求解模型的弹性响应特性，运动方程为：

[φ]^T[M+M_a][φ]·{ξ(t)}+[φ]^T[C][φ]·{ξ(t)}+[φ]^T[K][φ]·{ξ(t)}＝[φ]^T{P(t)}

式中，φ为湿模态振型，ξ为模态坐标，P(t)为瞬态激励载荷，是时间t的函数；

步骤十八、利用数值积分方法按时间步推进求解瞬态响应运动方程，将各阶模态响应叠加即可得到分析结果，包括过载、变形、剪力、弯矩、扭矩等的弹性响应历程，本实施例中，水陆两栖飞机典型部位的响应历程如图3所示，机身前部和后部相对于时间具有不同的加速度，如图4所示，剪力、弯矩、扭矩也随时间进行变化。

步骤十九、分析机身、机翼、尾翼等部位过载、变形、剪力、弯矩、扭矩等响应极值，供飞机结构设计使用。

本发明提供的水面飞行器水动弹性响应分析方法，针对水面飞行器，考虑水体与结构之间的耦合作用，利用水面飞行器的总体外形、结构形式及质量分布进行全机结构有限元建模，利用附加质量理论计算水对机体产生的附加质量，进而求解水面飞行器各阶湿模态，并基于湿模态结果求解机体的弹性响应特性。采用水面飞行器水动弹性响应分析方法，可以得到机体在水面运动时的弹性响应特性，指导结构强度设计，提高水面飞行器的安全性和可靠性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，如还可以应用于其他水面飞行器，如水上飞机，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准，且说明书未详尽部分为常规技术。

Claims (9)

1.一种水面飞行器水动弹性响应分析方法，其特征在于：对水面飞行器进行全机结构有限元建模，计算水面飞行器附加质量和全机质量，代入水面飞行器动力学运动方程求解，获取水面飞行器湿模态，再依据水面飞行器湿模态特性，将飞行器使用过程中的水动载荷施加于有限元模型，求解该模型的瞬态响应特性。

2.根据权利要求1所述的水面飞行器水动弹性响应分析方法，其特征在于：

包括如下步骤：步骤1、依据水面飞行器的总体外形、结构形式及质量分布进行全机结构有限元建模；

步骤2、依据水面飞行器的装载状态及水面滑行参数计算水面飞行器的吃水线位置；

步骤3、利用水面飞行器吃水线以下的结构参数计算水对机体产生的附加质量；

步骤4、将附加质量和全机质量叠加代入运动方程，求解水面飞行器的湿模态特性；

步骤5、依据湿模态分析结果，求解机体结构的水动弹性响应特性。

3.根据权利要求2所述的水面飞行器水动弹性响应分析方法，其特征在于：步骤2中，水面滑行参数包括但不限于全机重量重心、滑行速度、襟翼偏角、升降舵偏角。

4.根据权利要求2所述的水面飞行器水动弹性响应分析方法，其特征在于：步骤2中，通过计算水面飞行器的重力、升力及所需的浮力，根据浮力及几何外形计算水面飞行器吃水线位置。

5.根据权利要求2所述的水面飞行器水动弹性响应分析方法，其特征在于：根据水面飞行器吃水线位置，在有限元模型中定义与水接触的结构单元，然后利用附加质量理论计算水对机体产生的附加质量。

6.根据权利要求2所述的水面飞行器水动弹性响应分析方法，其特征在于：所述附加质量表示形式为：

[M_a]＝[D]^-1·[E]

其中，M_a为水对结构产生的附加质量矩阵，D为有限元模型节点速度向量与流速向量数值积分得到的系数矩阵，E为有限元模型节点作用力与流速向量数值积分得到的系数矩阵。

7.根据权利要求2所述的水面飞行器水动弹性响应分析方法，其特征在于：考虑水为各向同性、不可压缩的理想流体，以及水附加惯性力的作用，将附加质量和全机质量叠加，代入固有模态运动方程，

式中，M为全机质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，x为位移向量，求解方程的特征根、特征向量，得到水面飞行器的湿模态。

8.根据权利要求2所述的水面飞行器水动弹性响应分析方法，其特征在于：基于水面飞行器的湿模态分析结果，将水面飞行器使用过程中的水动载荷简化并施加于有限元模型，求解模型的瞬态响应方程得到水面飞行器水动弹性响应历程。

其中，瞬态响应方程如下：

[φ]^T[M+M_a][φ]·{ξ(t)}+[φ]^T[C][φ]·{ξ(t)}+[φ]^T[K][φ]·{ξ(t)}＝[φ]^T{P(t)}

式中，φ为湿模态振型，ξ为模态坐标，P(t)为时域内的瞬态激励载荷，是时间t的函数。

9.根据权利要求2所述的水面飞行器水动弹性响应分析方法，其特征在于：所述水动弹性响应参数包括但不限于过载、应力、变形、剪力、弯矩、扭矩。

Images