CN111125829B - 一种优化全动平尾静气动弹性和颤振的方法 - Google Patents

Abstract

一种优化全动平尾静气动弹性和颤振的方法，首先建立有限元模型，而后对静气动弹性、颤振、配重逐一进行优化，匹配程度高，得到满足静气动弹性和颤振要求且不影响平尾外形的最小重量全动平尾，符合约束条件，有效解决飞机静气动弹性和颤振的问题。

Description

一种优化全动平尾静气动弹性和颤振的方法

技术领域

本发明涉及飞行器气动弹性设计技术领域，尤其涉及一种优化全动平尾静气动弹性和颤振的方法。

背景技术

全动平尾的气动弹性往往限制飞行器的飞行性能，在刚度、质量和气动外形不断地发生变化中选择出符合气动弹性的设计方案，但在飞机全动平尾由于未考虑刚度、质量和气动外形之间匹配关系，导致先后出现静气动弹性和颤振问题，为此，需要对全动平尾的关键结构进行优化，以获取符合约束条件的结构方案。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种优化全动平尾静气动弹性和颤振的方法，以解决上述背景技术中的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种优化全动平尾静气动弹性和颤振的方法，具体步骤如下：

1）建立有限元模型

有限元模型包括初始几何模型、全动平尾结构动力学模型及全动平尾气动力模型；并计算静气动弹性发散、颤振速度、颤振频率、全动平尾重量，同时以此计算结果作为基准；

2）静气动弹性优化

将摇臂的长度、宽度、厚度作为设计变量，以满足结构的强度和静气动弹性条件为约束条件，以结构重量为目标函数，通过优化计算，得到一个满足静气动弹性的最小重量摇臂；

3）颤振优化

在步骤2）的基础上，将平尾配重施加位置作为设计变量，以满足颤振条件作为约束条件，以结构重量为目标函数，通过优化设计计算，得到最小配重重量下满足颤振要求的全动平尾；

4）配重优化

将平尾内空间作为设计变量，在步骤3）的基础上，以满足静气动弹性、颤振条件作为约束条件，以结构重量为目标函数，通过优化计算，得到满足静气动弹性和颤振要求且不影响平尾外形的最小重量全动平尾。

在本发明中，通过颤振优化以及配重优化，在平尾根部前缘位置施加一个配重，使得颤振速度大幅提高，此配重为100克。

有益效果：

1）本发明同时综合平尾重量、静气动弹性、颤振多目标函数进行优化，匹配程度高；

2）本发明对静气动弹性优化仅以摇臂作为设计变量，尽可能使用高效的优化变量，使得飞机重量不需增加过多，即能满足静气动弹性问题；

3）本发明对颤振优化以配重位置作为设计变量，使得飞机满足颤振问题，

结合对静气动弹性优化，进而得到满足静气动弹性和颤振要求且不影响平尾外形的最小重量全动平尾，有效解决飞机静气动弹性和颤振的问题。

附图说明

图1为本发明的较佳实施例的有限元模型示意图。

图2为本发明的较佳实施例的流程示意图。

图3为本发明的较佳实施例中的摇臂优化示意图。

图4为本发明的较佳实施例中的颤振优化结点示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1～图4所示的一种优化全动平尾静气动弹性和颤振的方法，具体步骤如下：

1）建立有限元模型

建立全动平尾的初始几何模型，首先在三维软件如UG、catia中建立初始几何模型，而后将初始几何模型导入至MSC.Patran中，再在此基础中，去除多余的线面，建立好全动平尾的初始几何模型；

基于全动平尾的初始几何模型构建全动平尾结构动力学模型，将全动平尾使用材料的属性填入即可，质量特性通过密度赋予；全动平尾气动力模型根据全动平尾几何外形用CAERO1卡片建立即可，全动平尾结构动力学模型与全动平尾气动力模型之间通过样条差值SPLINE卡片连接；

静气动弹性与颤振通过MSC.Nastran软件计算，静气动弹性发散通过在bdf文件中设置DIVERG卡，颤振通过在bdf文件中设置FLUTTER卡，由此完成有限元模型建立；

2）静气动弹性优化

使用求解序列SOL200，采用DESVAR卡片定义摇臂长度、宽度、厚度作为设计变量，采用DRESP1卡片定义重量响应为目标函数，采用DCONSTR卡片定义静气动弹性为约束函数，通过优化计算，得到一个满足静气动弹性的最小重量摇臂；

3）颤振优化

在步骤2）的基础上，以配重位置作为设计变量，通过FORTRAN软件编写批量读写运算程序，在步骤1）建立的全动平尾结构动力学模型结点p上施加同样重量的配重，得到在不同位置对颤振速度的敏感度矩阵，从而得到在某一特定位置施加最小配重即满足颤振要求，若同时满足全动平尾几何外形要求，则优化设计结束；否则，进入步骤4）；

4）配重优化

如若步骤3）中优化全动平尾结果不能满足其几何外形要求，在步骤3）中基础上，将配重重量大小、全动平尾内空间作为设计变量、以满足颤振为约束条件，将结构重量作为目标函数，通过优化设计，得到既能满足静气动弹性要求又能满足颤振要求的最小重量全动平尾。

在本实施例中，全动平尾的基本情况：平尾操纵系统刚度为80kg·m/rad，平尾旋转频率为25Hz，平尾一弯频率为40Hz。

在本实施例中，通过静气动弹性和颤振计算，平尾操纵系统刚度偏低，导致静气动弹性发散速度低于设计要求，在提高操纵系统刚度后，旋转和一弯近频，导致出现颤振问题，通过静气动弹性优化计算，发现摇臂厚度对发散影响非常敏感，故通过增加摇臂厚度以显著提高操纵系统刚度，从而提高发散速度，但由于该全动平尾旋转频率低于平尾一弯频率，提高操纵系统刚度，使得耦合模态靠近，从而出现颤振问题，通过颤振优化以及配重优化，在平尾根部前缘位置施加一个约100克配重，使得颤振速度大幅提高。

Claims (10)

1. 一种优化全动平尾静气动弹性和颤振的方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）建立有限元模型

有限元模型包括初始几何模型、全动平尾结构动力学模型及全动平尾气动力模型；并计算静气动弹性发散、颤振速度、颤振频率、全动平尾重量，同时以此计算结果作为基准；

2）静气动弹性优化

将摇臂的长度、宽度、厚度作为设计变量，以满足结构的强度和静气动弹性条件为约束条件，以结构重量为目标函数，通过优化计算，得到一个满足静气动弹性的最小重量摇臂；

3）颤振优化

在步骤2）的基础上，将平尾配重施加位置作为设计变量，以满足颤振条件作为约束条件，以结构重量为目标函数，通过优化设计计算，得到最小配重重量下满足颤振要求的全动平尾；

4）配重优化

将平尾内空间作为设计变量，在步骤3）的基础上，以满足静气动弹性、颤振条件作为约束条件，以结构重量为目标函数，通过优化计算，得到满足静气动弹性和颤振要求且不影响平尾外形的最小重量全动平尾。

2.根据权利要求1所述的一种优化全动平尾静气动弹性和颤振的方法，其特征在于，步骤1）中，建立全动平尾的初始几何模型，首先在三维软件中建立初始几何模型，而后将初始几何模型导入至MSC.Patran中，再在此基础中，去除多余的线面即可。

3.根据权利要求2所述的一种优化全动平尾静气动弹性和颤振的方法，其特征在于，步骤1）中，基于全动平尾的初始几何模型构建全动平尾结构动力学模型，将全动平尾使用材料的属性填入即可，质量特性通过密度赋予。

4.根据权利要求2所述的一种优化全动平尾静气动弹性和颤振的方法，其特征在于，步骤1）中，全动平尾气动力模型根据全动平尾几何外形用CAERO1卡片建立即可。

5.根据权利要求1所述的一种优化全动平尾静气动弹性和颤振的方法，其特征在于，步骤1）中，静气动弹性与颤振通过MSC.Nastran软件计算，静气动弹性发散通过在bdf文件中设置DIVERG卡，颤振通过在bdf文件中设置FLUTTER卡。

6.根据权利要求1所述的一种优化全动平尾静气动弹性和颤振的方法，其特征在于，步骤2）中，使用求解序列SOL200，采用DESVAR卡片定义摇臂长度、宽度、厚度作为设计变量，采用DRESP1卡片定义重量响应为目标函数，采用DCONSTR卡片定义静气动弹性为约束函数，通过优化计算，得到一个满足静气动弹性的最小重量摇臂。

7.根据权利要求1所述的一种优化全动平尾静气动弹性和颤振的方法，其特征在于，步骤3）中，通过FORTRAN软件编写批量读写运算程序，在步骤1）建立的全动平尾结构动力学模型结点上施加同样重量的配重，得到在不同位置对颤振速度的敏感度矩阵，从而得到在某一特定位置施加最小配重即满足颤振要求，若同时满足全动平尾几何外形要求，则优化设计结束；否则，进入步骤4）。

8.根据权利要求1所述的一种优化全动平尾静气动弹性和颤振的方法，其特征在于，步骤4）中，如若步骤3）中优化全动平尾结果不能满足其几何外形要求，则在步骤3）中基础上，将配重重量大小、全动平尾内空间作为设计变量、以满足颤振为约束条件，将结构重量作为目标函数，通过优化设计，得到既能满足静气动弹性要求又能满足颤振要求的最小重量全动平尾。

9.根据权利要求8所述的一种优化全动平尾静气动弹性和颤振的方法，其特征在于，在平尾根部前缘位置施加一个配重，以使得颤振速度大幅提高。

10.根据权利要求9所述的一种优化全动平尾静气动弹性和颤振的方法，其特征在于，配重为100克。

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