CN111324991B - 一种地面颤振试验中气动力模型的重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种地面颤振试验中气动力模型的重构方法，该重构方法利用模态振型激励、物理坐标和模态坐标转换以及插值点缩聚的方法，实现了气动力模型的重构；重构过程中，通过对参与颤振的模态进行振型激励，获取频域和模态坐标下气动力影响系数矩阵，进行物理量在模态坐标和物理坐标下的转换，通过遗传算法对插值点进行优化配置，实现插值点的缩聚，最后通过有理函数拟合的方式，将频域气动力拟合到时域，获得满足地面颤振试验要求的气动力模型。本发明实施例提供的重构方法具有精度高、计算效率高、模型重构流程简单易行的优势；实现了提高地面颤振试验在跨音速区域的测试精度，从而扩展地面颤振试验的适用范围的效果。

Description

一种地面颤振试验中气动力模型的重构方法

技术领域

本申请涉及但不限于气动弹性试验技术领域，尤指一种地面颤振试验中气动力模型的重构方法。

背景技术

颤振是一种典型的流固耦合现象。目前常用的验证手段主要包括风洞试验和飞行试验两种，鉴于上述两种试验存在一定的风险，并且试验周期较长、成本较高，目前提出一种基于地面振动试验的地面颤振试验系统，可在地面进行颤振特性的模拟与测试。

地面颤振试验的一个关键在于要在地面重构结构的气动力模型，该气动力模型以结构响应为输入，实施重构出结构的非定常气动力。目前常用的气动力模型是基于线化小扰动假设的频域气动力模型，该模型在亚音速和超音速范围内计算结果较为准确，但是在跨音速区域，上述模型的计算精度很难满足工程要求。目前在跨音速气动力计算中，CFD方法的精度较高，但是由于CFD为时域方法，计算耗时，不能满足地面颤振对气动力模型的实时性要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种地面颤振试验中气动力模型的重构方法，以实现提高地面颤振试验在跨音速区域的测试精度，从而扩展地面颤振试验的适用范围。

本发明实施例提供一种地面颤振试验中气动力模型的重构方法，包括：

步骤1，对参与颤振的模态进行振型激励，获取频域坐标和模态广义坐标下的气动力影响系数矩阵；

步骤2，将模态广义坐标下的气动力影响系数矩阵转换至物理坐标下，得到频域坐标和物理坐标下的气动力影响系数矩阵；

步骤3，对插值点进行优化配置，对优化后的插值点进行插值矩阵的降阶，实现插值点的缩聚，所述插值点指激振点和拾振点两者共点；

步骤4，采用降阶后的插值矩阵对步骤2得到的气动力影响系数矩阵转进行变换，获得缩聚后的频域坐标和物理坐标下的气动力影响系数矩阵转；

步骤5，对步骤4获得的气动力影响系数矩阵转进行有理函数拟合处理，将频域气动力拟合到时域气动力，获得缩聚后的时域坐标和物理坐标下的气动力模型。

可选地，如上所述的地面颤振试验中气动力模型的重构方法中，所述步骤1包括：

利用振型激励的方式建立气动力模型，采用定频激励的方式，通过计算一系列频率下的气动力建立不同减缩频率下的所述气动力影响系数矩阵。

可选地，如上所述的地面颤振试验中气动力模型的重构方法中，所述步骤1包括：

步骤a，对结构进行有限元分析，获取所述结构的模态振型信息；

步骤b，在结构域中设置结构强迫位移运动，分别以不同的模态振型作为强迫位移，对所述结构进行强迫位移激励；

步骤c，划分气动网格，并设置耦合求解，进行耦合求解，在结果文件中提取结构节点的气动力；

步骤d，对步骤c中的气动力进行模态分析，获得各阶模态的气动力分量，所述气动力分量为所述步骤1得到的气动力影响系数矩阵中的一行元素。

可选地，如上所述的地面颤振试验中气动力模型的重构方法中，所述对参与颤振的模型进行振型激励，获取频域坐标和模态广义坐标下的气动力影响系数矩阵，还包括：

步骤e，分别对不同的模态重复执行步骤b到步骤d，获得所述参与颤振的模态的气动力分量，以形成完整的所述气动力影响系数矩阵。

可选地，如上所述的地面颤振试验中气动力模型的重构方法中，所述步骤2中将模态广义坐标下的气动力影响系数矩阵转换至物理坐标下的方式，包括：

利用振型矩阵关于质量阵正交的性质，建立物理量在模态和物理坐标下的转换关系，将模态广义坐标下的气动力影响系数矩阵转换至物理坐标下。

可选地，如上所述的地面颤振试验中气动力模型的重构方法中，所述步骤3包括：

通过遗传算法对激振点和拾振点两者供点的插值点进行优化配置，利用少量插值点实现与所有网格节点等效的力和相应，从而实现插值点的缩聚。

可选地，如上所述的地面颤振试验中气动力模型的重构方法中，所述步骤3和步骤4包括：

将广义力等效作为插值点优化的目标，通过遗传算法对激对插值点进行优化；

通过无限平板插值方式建立插值矩阵，对优化后的插值点进行插值矩阵的降阶；

将气动力模型缩聚到已确定的插值点上，建立以拾振点响应为输入，激振点气动力为输出的气动力影响系数矩阵。

可选地，如上所述的地面颤振试验中气动力模型的重构方法中，所述步骤5包括：

采用最小状态法将频域气动力进行有理函数拟合，获得缩聚后的时域坐标和物理坐标下的气动力模型，所述气动力模型用于地面颤振试验的仿真和测试。

本发明实施例提供的地面颤振试验中气动力模型的重构方法，利用模态振型激励、物理坐标和模态坐标转换以及插值点缩聚方法，实现了气动力模型的重构；在重构过程中，采用模态激励的方式获取了频域坐标和模态坐标下的气动力影响系数矩阵；通过模态坐标转换，实现了气动力模型的简化，从而提高了气动力的重构速度；通过优化的方式选择激振点和拾振点的共点，保证点缩聚后气动力与原气动力等效。另外，利用有理函数拟合的方式将频域气动力拟合到时域中，方便仿真和试验中利用气动力模型。本发明实施例提供的重构方法，气动力计算精度较高，由于采用CFD方法，可以考虑气动力在跨音速的非线性效应，计算结果较频域法有明显的提高；计算效率较高，通过降阶处理，气动力影响系数矩阵维数降低，可以满足气动力的实时性要求；重构流程较为简单，只需进行少数几次耦合计算就可以建立气动力模型。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例提供的一种地面颤振试验中气动力模型的重构方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的地面颤振试验中气动力模型的重构方法中一种振型激励过程的流程图；

图3为采用本发明实施例提供的地面颤振试验中气动力模型的重构方法进行模型重构的原理示意图；

图4为本发明实施提供的地面颤振试验中气动力模型的重构方法中一种验证对象的结构示意图；

图5为采用CFD/CSD直接耦合方法对图4所示平板结构进行颤振仿真分析结果的示意图；

图6为对图4所示平板结构的前两个阶段模态进行振型激励的模态广义力变化情况的示意图；

图7为对图4所示平板结构进行优化缩聚后激振点和拾振点位置的示意图；

图8为采用本发明实施例提供的地面颤振试验中气动力模型的重构方法对图4所示平板结构进行模型重构后得到的颤振仿真分析结果的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为本发明实施例提供的一种地面颤振试验中气动力模型的重构方法的流程图。本实施例提供的地面颤振试验中气动力模型的重构方法可以包括如下步骤：

步骤1，对参与颤振的模态(例如是参与颤振的主要模态)进行振型激励，获取频域坐标和模态广义坐标下的气动力影响系数矩阵；

步骤2，将模态广义坐标下的气动力影响系数矩阵转换至物理坐标下，得到频域坐标和物理坐标下的气动力影响系数矩阵；

步骤3，对插值点进行优化配置，对优化后的插值点进行插值矩阵的降阶，实现插值点的缩聚，该插值点指激振点和拾振点两者共点；

步骤4，采用降阶后的插值矩阵对步骤2得到的气动力影响系数矩阵转进行变换，获得缩聚后的频域坐标和物理坐标下的气动力影响系数矩阵转；

步骤5，对步骤4获得的气动力影响系数矩阵转进行有理函数拟合处理，将频域气动力拟合到时域气动力，获得缩聚后的时域坐标和物理坐标下的气动力模型。

本发明实施例的步骤1中获取的气动力影响系数矩阵为三维矩阵，以频域坐标和模态广义坐标下的矩阵为例予以说明，其中，每个二维矩阵是在模态广义坐标下描述的，第三个维度是以频域为自变量的函数，频域变一个点，出现一个二维矩阵，即每个二维矩阵是在给定的频率点下计算出来的。

本发明实施例提供的地面颤振试验中气动力模型的重构方法，主要目的为提高地面颤振试验在跨音速区域的测试精度，从而扩展地面颤振试验的适用范围。该方法为一种基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称为：CFD)和计算结构力学(Computational Structure Dynamics，简称为：CSD)降阶的气动力模型重构方法，利用该方法重构的气动力模型可以在精度损失不大的情况下，满足系统的实时性要求。该重构方法可以应用于飞行器地面颤振试验中气动力模型的重构，也可用于气动弹性分析。

本发明实施例提供的地面颤振试验中气动力模型的重构方法，为一种基于CFD降阶方法的跨音速气动力重构方法，该方法利用模态振型激励、物理坐标和模态坐标转换以及插值点缩聚方法，实现了气动力模型的重构；在重构过程中，采用模态激励的方式获取了频域坐标和模态坐标下的气动力影响系数矩阵；通过模态坐标转换，实现了气动力模型的简化，从而提高了气动力的重构速度；通过优化的方式选择激振点和拾振点的共点，保证点缩聚后气动力与原气动力等效。另外，利用有理函数拟合的方式将频域气动力拟合到时域中，方便仿真和试验中利用气动力模型。本发明实施例提供的重构方法，气动力计算精度较高，由于采用CFD方法，可以考虑气动力在跨音速的非线性效应，计算结果较频域法有明显的提高；计算效率较高，通过降阶处理，气动力影响系数矩阵维数降低，可以满足气动力的实时性要求；重构流程较为简单，只需进行少数几次耦合计算就可以建立气动力模型。

可选地，本发明实施提供的重构方法中，步骤1的实现方式，可以包括：

利用振型激励的方式建立气动力模型，采用定频激励的方式，通过计算一系列频率下的气动力建立不同减缩频率下的气动力影响系数矩阵。

可选地，图2为本发明实施例提供的地面颤振试验中气动力模型的重构方法中一种振型激励过程的流程图。本发明实施提供的重构方法中，步骤1中振型激励的具体实现方式，可以包括如下步骤：

步骤a，对结构进行有限元分析，获取结构的模态振型信息；

步骤b，在结构域中设置结构强迫位移运动，分别以不同的模态振型作为强迫位移，对结构进行强迫位移激励；

步骤c，划分气动网格，并设置耦合求解，进行耦合求解，在结果文件中提取结构节点的气动力；

步骤d，对步骤c中的气动力进行模态分析，获得各阶模态的气动力分量，气动力分量为步骤1得到的气动力影响系数矩阵中的一行元素。

可选地，本发明实施例中进行振型激励的具体实现方式，还可以包括：

步骤e，分别对不同的模态重复执行步骤b到步骤d，获得参与颤振的主要模态的气动力分量，以形成完整的气动力影响系数矩阵。

可选地，本发明实施提供的重构方法中，步骤3的实现方式，可以包括：

通过遗传算法对激振点和拾振点两者供点的插值点进行优化配置，利用少量插值点实现与所有网格节点等效的力和相应，从而实现插值点的缩聚。

可选地，本发明实施提供的重构方法中，步骤3和步骤4的实现方式，可以包括：

将广义力等效作为插值点优化的目标，通过遗传算法对激对插值点进行优化；

通过无限平板插值方式建立插值矩阵，对优化后的插值点进行插值矩阵的降阶；

将气动力模型缩聚到已确定的插值点上，建立以拾振点响应为输入，激振点气动力为输出的第三气动力影响系数矩阵。

可选地，本发明实施提供的重构方法中，步骤5的实现方式，可以包括：

采用最小状态法将频域气动力进行有理函数拟合，获得缩聚后的时域坐标和物理坐标下的气动力模型，气动力模型用于地面颤振试验的仿真和测试。

本发明实施例提供的地面颤振试验中气动力模型的重构方法，利用振型矩阵关于质量阵正交(按照质量阵归一化后)这一性质，实现了模态与物理坐标系下物理量的转换。另外，利用无限平板插值(IPS)方法建立插值矩阵，将气动力模型缩聚到有限的激振点和拾振点上。

如图3所示，为采用本发明实施例提供的地面颤振试验中气动力模型的重构方法进行模型重构的具体流程意图。图中示意出模型重构过程中的步骤，以及每个步骤得到的相关矩阵。

以下通过一个具体实施方式对本发明实施例提供的地面颤振试验中气动力模型的重构方法进行详细说明。

图4为本发明实施提供的地面颤振试验中气动力模型的重构方法中一种验证对象的结构示意图，以图4所示的平板结构作为模型重构的验证对象，图4中示意出平板结构的机翼结构的尺寸，首先利用CFD/CSD直接耦合方法确定颤振边界，以便作为后续计算精度的对照标准。图5为采用CFD/CSD直接耦合方法对图4所示平板结构进行颤振仿真分析结果的示意图，图5示意出平板结构在不同速度条件下结构监测点的响应，图5中的横轴为时间(单位为秒，s)，纵轴为幅值，图5中分别给出了亚临界、临界和超临界情况下监测点响应，其中临界点对应的速度和频率为结构的颤振速度和颤振频率。

计算获得结构的前两阶模态(由第一步分析得出，前两阶模态为颤振的主要参与模态)振型，在CFD/CSD耦合求解过程中，分别以前两阶模态振型作为幅值对结构施加强迫位移响应，求解过程中流场速度设置在颤振速度附近，强迫运动的频率根据减缩频率序列推算，减缩频率序列为包含颤振临界点对应的减缩频率。

提取耦合过程每一步的节点气动力，并对气动力进行模态坐标变换，获得结构的模态广义力，如图6所示，为对图4所示平板结构的前两个阶段模态进行振型激励的模态广义力变化情况的示意图，图6的横轴为时间(单位为s)，纵轴为模态广义力，图6示意出前两阶模态激励下，某一频率处的模态广义力的幅值。

对获得的模态广义力进行拟合，获取其幅值和相位信息，结合强迫位移的幅值和相位信息，即可计算获得频域模态坐标下的气动力影响系数矩阵；对上述气动力影响系数矩阵进行模态坐标和物理坐标的转换，其中物理坐标下响应向模态广义坐标转换依据q＝Φ^TMx进行，模态广义坐标下向物理坐标下转换采用f＝ΦMF进行，得到频域坐标和物理坐标下的气动力影响系数矩阵；其中，q为模态广义位移，Φ为模态振型矩阵，M为质量矩阵，x为物理坐标下的节点响应向量，f为物理坐标节点的力向量，F为模态广义力。

如图7所示，为对图4所示平板结构进行优化缩聚后激振点和拾振点位置的示意图。利用遗传算法对激振点和拾振点的位置进行优化，本例中采用4个激振点和4个拾振点配置方案，通常激振点上布设激励振动器，拾振点上布设传感器，同时激振点和拾振点共点(同一点处即有激振点又有拾振点)，采用优化算法利用广义力等效作为目标函数，获得了最优的位置方案如附图7所示。

利用获得的插值点(激振点和拾振点)，通过无限平板插值方法构建插值矩阵，利用插值矩阵将物理坐标系下的气动力影响系数矩阵缩聚到插值点上，从而使得地面颤振试验具备可行性。

通过最小状态法对气动力影响系数矩阵进行有理函数拟合，获得时域的气动力模型，可用于地面颤振试验中，为了对气动力模型的精度进行验证，进行了仿真分析，如图8所示，为采用本发明实施例提供的地面颤振试验中气动力模型的重构方法对图4所示平板结构进行模型重构后得到的颤振仿真分析结果的示意图，图8中的横轴为时间(单位为s)，纵轴为幅值，图8示意出时域仿真结构监测点响应，具体为亚临界、临界和超临界情况的响应。与图5所示采用CFD/SCD直接耦合结果对比，相对误差在5％以内，满足工程精度要求。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种地面颤振试验中气动力模型的重构方法，其特征在于，包括：

步骤1，对参与颤振的主要模态进行振型激励，获取频域坐标和模态广义坐标下的气动力影响系数矩阵；其中，参与颤振的主要模态包括结构的前两阶模态，且所述步骤1中获取的气动力影响系数矩阵为三维矩阵，每个二维矩阵是在模态广义坐标下描述的，第三个维度是以频域为自变量的函数，频域变一个点，出现一个二维矩阵，即每个二维矩阵是在给定的频率点下计算出来的；

步骤2，将模态广义坐标下的气动力影响系数矩阵转换至物理坐标下，得到频域坐标和物理坐标下的气动力影响系数矩阵；

步骤3，通过遗传算法对激振点和拾振点两者共点的插值点进行优化配置，对优化后的插值点进行插值矩阵的降阶，实现插值点的缩聚，所述插值点指激振点和拾振点两者共点；

步骤4，采用降阶后的插值矩阵对步骤2得到的三维气动力影响系数矩阵进行变换，获得缩聚后的频域坐标和物理坐标下的三维气动力影响系数矩阵；

步骤5，对步骤4获得的三维气动力影响系数矩阵进行有理函数拟合处理，将频域气动力拟合到时域气动力，获得缩聚后的时域坐标和物理坐标下的三维气动力模型；

其中，所述步骤1包括：

利用振型激励的方式建立气动力模型，采用定频激励的方式，通过计算一系列频率下的气动力建立不同减缩频率下的所述气动力影响系数矩阵，即获取到频域坐标和模态广义坐标下的气动力影响系数矩阵；

所述步骤1具体包括：

步骤a，对结构进行有限元分析，获取所述结构的模态振型信息；

步骤b，在结构域中设置结构强迫位移运动，分别以不同的模态振型作为强迫位移，对所述结构进行强迫位移激励；其中，强迫位移运动的频率根据减缩频率序列推算，减缩频率序列为包含颤振临界点对应的减缩频率；

步骤c，划分气动网格，并设置耦合求解，进行耦合求解，在结果文件中提取结构节点的气动力；

步骤d，对步骤c中的气动力进行模态分析，获得各阶模态的气动力分量，所述气动力分量为所述步骤1得到的气动力影响系数矩阵中的一行元素；

步骤e，分别对不同的模态重复执行步骤b到步骤d，获得所述参与颤振的模态的气动力分量，以形成完整的所述气动力影响系数矩阵。

2.根据权利要求1所述的地面颤振试验中气动力模型的重构方法，其特征在于，所述步骤2中将模态广义坐标下的气动力影响系数矩阵转换至物理坐标下的方式，包括：

利用振型矩阵关于质量矩阵正交的性质，建立物理量在模态和物理坐标下的转换关系，将模态广义坐标下的气动力影响系数矩阵转换至物理坐标下。

3.根据权利要求2所述的地面颤振试验中气动力模型的重构方法，其特征在于，所述步骤3包括：

通过遗传算法对激振点和拾振点两者共点的插值点进行优化配置，利用少量插值点实现与所有网格节点等效的力和相应，从而实现插值点的缩聚。

4.根据权利要求3所述的地面颤振试验中气动力模型的重构方法，其特征在于，所述步骤3和步骤4包括：

将广义力等效作为插值点优化的目标，通过遗传算法对插值点进行优化；

通过无限平板插值方式建立插值矩阵，对优化后的插值点进行插值矩阵的降阶；

将气动力模型缩聚到已确定的插值点上，建立以拾振点响应为输入，激振点气动力为输出的气动力影响系数矩阵。

5.根据权利要求1所述的地面颤振试验中气动力模型的重构方法，其特征在于，所述步骤5包括：

采用最小状态法将频域气动力进行有理函数拟合，获得缩聚后的时域坐标和物理坐标下的气动力模型，所述气动力模型用于地面颤振试验的仿真和测试。