CN111797468A - 一种后边条维形框壁板颤振抑制方法 - Google Patents

一种后边条维形框壁板颤振抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种后边条维形框壁板颤振抑制方法，包括：第一步，根据确定的设计准则，使用防壁板颤振经验估算公式Φb＝[f(M)E/q]1/ 3tb/a，进行改进前维形段结构计算，提出改进方案，并对改进后维形段结构进行计算；第二步，根据振动设计准则，需保证结构固有频率最低阶频率大于扰动气流频率，并保留足够的频率储备裕度，建立结构有限元模型，对改进后的维形段结构进行了模态分析，判断改进后是否满足设计准则；第三步，获取维形段结构改进前、后应力分布及应力大小变化情况，在壁板上施加气动载荷，对其进行有限元应力计算，判断改进后的最大应力是否有显著降低；第四步，如不满足上述步骤中的任一个，则重复上述过程。该方法技术方案简单高效，改装成本低，结构重量增加较少。

Description

一种后边条维形框壁板颤振抑制方法
技术领域
本发明属于飞行器气动弹性设计技术领域，具体为一种后边条维形框壁板颤振抑制方法，具体说是提供一种采用防壁板颤振经验估算公式、振动设计准则、应力水平控制的壁板颤振抑制方法。
背景技术
壁板颤振是飞行器的壁板结构在超声速气流中，由于惯性力、弹性力、热载荷以及作用于壁板一个表面上的气动力之间耦合作用而产生的一种自激振动现象。通常，当壁板开始颤振时，其振幅随时间急剧增大，但在结构非线性的影响下，振幅不会无限制地增大。壁板颤振虽然不像翼面颤振那样导致严重的飞行事故，但它对飞行器结构的疲劳寿命或飞行性能会产生不利的影响，有可能造成下列后果：
(1)产生强烈地噪声；
(2)壁板在长时间的振动后发生疲劳开裂甚至造成壁板在飞行中破碎；
(3)壁板附近的设备失效。
壁板结构的颤振与振动主动控制技术，是航空领域内十分关注的问题。当前飞机为减轻结构重量，大多采用薄壁结构，长期飞行后蒙皮会出现上述后果。为此需要对这一部分壁板进行重新设计。
虽然壁板颤振研究始于20世纪50年代，并且基于活塞理论、有势流理论、Euler方程、N-S方程等气动力理论开展了壁板研究，但是壁板颤振的动力学系统是非保守的自治系统，其动力学特性十分复杂。影响壁板颤振特性的系统因素有很多，如中面压紧力、曲率、气流偏角和材料属性等。已有的研究工作大多都限于数值模拟或是实验研究，对壁板颤振抑制不能快速提供壁板改进方案，很难满足工程要求。而单一使用防壁板颤振经验估算公式很难从宏观上反映出结构改进效果，且可能结构重量增加较大。
发明内容
为解决上述现有技术存在的不足，本发明旨在工程上解决上述技术问题，获得改进方案的局部最优解。
本发明提供一种后边条维形框壁板颤振抑制方法，包括以下过程：
Step1，根据MIL-A-87221和文献AFFDL-TR-67-140中的方法作为设计准则，使用其中的防壁板颤振经验估算公式Φb＝[f(M)E/q]1/3tb/a，进行改进前维形段结构计算，提出改进方案，并对改进后维形段结构进行计算；
Step2，根据振动设计准则，需保证结构固有频率最低阶频率大于扰动气流频率，并保留足够的频率储备裕度，建立结构有限元模型，对改进后的维形段结构进行了模态分析，判断改进后是否满足设计准则；
Step3，获取维形段结构改进前、后应力分布及应力大小变化情况，在壁板上施加气动载荷，对其进行有限元应力计算，判断改进后的最大应力是否有显著降低；
Step4，如有不满足过程Step1、Step2、Step3中的一个，则重复上述过程。
进一步地，如Step1中的改进前维形段结构计算方法如下：
计算方法主要采用两个基本参数：a/b和Φb＝[f(M)E/q]1/3tb/a，
各参数意义为：
a-顺气流方向长度/mm；
b-垂直气流方向宽度/mm；
Φb-指数/查图表得到，只与a、b相关，用于判断是否在非颤振区的参数；
q/f(M)-速压/与马赫数相关的函数；
E-弹性模量/MPa；
tb-临界厚度/mm；
由Φb和a/b构成一条壁板颤振边界曲线，曲线以上为非颤振区，曲线以下为颤振区。
进一步地，如Step1中的改进后维形段结构计算方法如下：
步骤1，按结构确定a、b；
步骤2，由a/b按图1确定Φb；
步骤3，结合飞行包线确定q/f(M)；
步骤4，不发生颤振的壁板基本厚度为tb＝Φba/[f(M)E/q]1/3；
步骤5，如厚度超出预期且增加厚度比增加型材所增加的重量多，则在维形框增加型材，改变a/b，重复上述步骤进行计算，直至增重较少且能满足要求。
进一步地，如Step1中计算得到的壁板厚度只考虑了壁板颤振的几个主要参数，考虑到其它重要影响参数及安全系数后得到壁板设计厚度tD＝fkkxtb，其中，
k-支持条件修正系数，不大于2.0；
kx-气流偏角修正系数；
f-安全系数；
tb-临界厚度/mm；
tD-乘以安全系数以后的临界厚度。
上述技术方案中，根据防壁板颤振估算公式，尽可能使用高效的优化变量，对结构进行局部改进，并同时满足了结构固有频率、应力水平、防壁板颤振三个要求，实施方案简单高效，改装成本尽可能低，结构重量增加较少，能从根本上解决该技术问题。
附图说明
图1为本发明壁板颤振边界曲线图。
图2为本发明q/f(M)与M、H关系曲线图。
图3为一种后边条维形段改进方案结构示意图。
图4为一种原始方案壁板应力云图。
图5为一种改进方案壁板应力云图。
具体实施方式
下面结合一种实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
第一步，根据MIL-A-87221要求对壁板进行防颤振设计，并用文献AFFDL-TR-67-140中的方法作为设计准则。该文献中的计算方法主要采用以下两个基本参数：a/b和Φb＝[f(M)E/q]1/3tb/a。
各参数说明如下：
t-板厚/mm；E-弹性模量/MPa；a-顺气流方向长度/mm；b-垂直气流方向宽度/mm
Φb-指数/查图表得到，只与a、b相关；
q/f(M)-速压/与马赫数相关的函数；
tb-临界厚度/mm；
k-支持条件修正系数，不大于2.0；
kx-气流偏角修正系数；
f-安全系数；
tD-乘以安全系数以后的临界厚度；
Φb-用于判断是否在非颤振区的参数。
由Φb和a/b构成一条壁板颤振边界曲线(图1)，曲线以上为非颤振区，曲线以下为颤振区。
壁板结构改进设计步骤如下：
1)按结构确定a、b；
2)由a/b按图1确定Φb；
3)结合飞行包线按图2确定q/f(M)；
4)不发生颤振的壁板基本厚度为：tb＝Φba/[f(M)E/q]1/3；
5)如厚度超出预期且增加厚度比增加型材所增加的重量多，则在维形框增加型材，改变a/b，重复上述步骤进行计算，直至增重较少且能满足要求。
以上计算得到的壁板厚度只考虑了壁板颤振的几个主要参数，考虑到其它重要影响参数及安全系数后得到壁板设计厚度：tD＝fkkxtb(对于本例，取安全系数f＝1.3，支持条件等修正系数k＝1，气流偏角修正系数kx＝1)。
改进前Φb值低于要求值，极有可能出现壁板颤振，且如果只增加厚度，可能壁板厚度需达到3mm，超出预期且增重较大，因此考虑增加型材改变a/b的值，在经过一系列增加壁板型材方案设计后，降低a/b，使Φb(计算)>Φb(要求)，从而满足防壁板颤振设计要求。
表1改进前高度3km，马赫数1.0和1.2时计算结果
Figure BDA0002543189480000061
表2改进后高度3km，马赫数1.0和1.2时设计改进计算结果
Figure BDA0002543189480000062
第二步，研究全机模型下后边条维形框表面的非定常压力波动情况，在后边条维形框表面选取3个典型点，对这3个点处的非定常压力变化进行频谱分析，估算出扰动气流频率fr，根据振动设计准则，需保证结构固有频率最低阶频率大于扰动气流频率，并保留足够的频率储备裕度，建立结构有限元模型，使用MSC.Patran软件对改进后的维形段结构进行了模态分析，结果见下表3，第一阶模态频率高于扰动气流频率，如不满足要求重复第一步。
表3维形段模态分析
阶次 频率/Hz
1 1.9f<sub>r</sub>
2 2.1f<sub>r</sub>
3 2.2f<sub>r</sub>
4 2.4f<sub>r</sub>
5 2.5f<sub>r</sub>
第三步，获取维形段结构改进前、后应力分布及应力大小变化情况，采用MSC.Patran软件在壁板上施加气动载荷，采用MSC.Nastran软件对其进行有限元应力计算，根据应力云图(图4、图5)可以发现，改进后的维形框最大应力降低约50％，如若应力水平未有显著降低，重复第一步和第二步。

Claims (4)

1.一种后边条维形框壁板颤振抑制方法，其特征在于：所述的后边条维形框壁板颤振抑制方法设计步骤为：
Step1，根据MIL-A-87221和文献AFFDL-TR-67-140中的方法作为设计准则，使用其中的防壁板颤振经验估算公式Φb＝[f(M)E/q]1/3tb/a，进行改进前维形段结构计算，提出改进方案，并对改进后维形段结构进行计算；
Step2，根据振动设计准则，需保证结构固有频率最低阶频率大于扰动气流频率，并保留足够的频率储备裕度，建立结构有限元模型，对改进后的维形段结构进行了模态分析，判断改进后是否满足设计准则；
Step3，获取维形段结构改进前、后应力分布及应力大小变化情况，在壁板上施加气动载荷，对其进行有限元应力计算，判断改进后的最大应力是否有显著降低；
Step4，如有不满足过程Step1、Step2、Step3中的一个，则重复上述过程。
2.根据权利要求1所述的后边条维形框壁板颤振抑制方法，其特征在于：所述的Step1中的改进前维形段结构计算方法如下：
计算方法主要采用两个基本参数：a/b和Φb＝[f(M)E/q]1/3tb/a，
各参数意义具体为：
a-顺气流方向长度/mm；
b-垂直气流方向宽度/mm；
Φb-指数/查图表得到，只与a、b相关，用于判断是否在非颤振区的参数；
q/f(M)-速压/与马赫数相关的函数；
E-弹性模量/MPa；
tb-临界厚度/mm；
由Φb和a/b构成一条壁板颤振边界曲线，曲线以上为非颤振区，曲线以下为颤振区。
3.根据权利要求1所述的后边条维形框壁板颤振抑制方法，其特征在于：所述的Step1中的改进后维形段结构计算方法如下：
步骤1，按结构确定a、b；
步骤2，由a/b按图1确定Φb；
步骤3，结合飞行包线确定q/f(M)；
步骤4，不发生颤振的壁板基本厚度为tb＝Φba/[f(M)E/q]1/3；
步骤5，如厚度超出预期且增加厚度比增加型材所增加的重量多，则在维形框增加型材，改变a/b，重复上述步骤进行计算，直至增重较少且能满足要求。
4.根据权利要求1所述的后边条维形框壁板颤振抑制方法，其特征在于：所述的Step1中计算得到的壁板厚度只考虑了壁板颤振的几个主要参数，考虑到其它重要影响参数及安全系数后得到壁板设计厚度tD＝fkkxtb，其中，
k-支持条件修正系数，不大于2.0；
kx-气流偏角修正系数；
f-安全系数；
tb-临界厚度/mm；
tD-乘以安全系数以后的临界厚度。
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