基于大气紊流激励响应的机翼颤振边界预测研究

发布时间：2020-10-23 17:22

　　 考虑到颤振试验的危险性,如果在颤振试验中能有准确有效的颤振边界预测技术,具有在颤振发生前的亚临界速度范围内提前判断颤振边界,甚至在较低的速度就能预测出合理有效的颤振速度的能力,将很大程度上起到保障试验安全、降低试验成本、提高颤振预测结果准确性等作用。因此对实用有效的颤振边界预测方法进行研究与发展,具有重要的科学意义及工程应用前景。虽然颤振试验数据处理技术与颤振边界预测方法已经取得了进展,但是还需要针对大气紊流激励条件下颤振边界预测的技术方法开展进一步研究。本文首先针对紊流激励响应模态混杂、信噪比低的问题,采用频谱分析与经验模态分解方法对响应信号进行降噪处理与数据重构,从而降低信号随机性对参数识别的影响,发展了适用于大气紊流激励响应信号的信号处理与模态参数识别方法。其次,对当前颤振边界预测较为有效的基于振动响应信号的两种稳定性分析方法进行了研究,从原理上证明了两方法之间的关系。最后,进一步对带控制面机翼动力学模型进行了理论研究,提出了适用于带控制面机翼的颤振边界预测方法。本文的主要研究内容和取得的成果有:(1)提出了适用于大气紊流激励响应信号的一套信号处理与模态参数识别方法。针对大气紊流激励响应信号,从理论上分析了随机减量技术、自然激励技术和Hilbert-Huang变换的方法原理及区别,建立平板机翼有限元模型,通过数值仿真,模拟了紊流激励响应信号,对比分析了上述方法处理信号的有效性。然后对模态参数识别方法中的复指数法、ARMA模型时间序列分析法、随机子空间辨识、矩阵束法进行了理论推导,在平板机翼模型算例中进行了系统的对比分析,结果表明矩阵束方法具有更高的模态参数识别精度,结合Hilbert-Huang变换与自然激励技术,能够较准确地识别紊流激励响应信号中的模态参数。(2)理论推导了颤振边界预测方法中适用于振动响应信号分析的颤振裕度法与ARMA系统稳定性分析方法,从弯扭耦合二元机翼模型基础上说明了两方法之间的区别与联系。对于机翼弯扭耦合颤振,两方法稳定性判据具有近似的变化曲线,相差采样频率四次方的数量级。通过数值仿真研究,以平板机翼模型与梁架机翼模型为例,分析了两方法稳定性判据随飞行速度变化趋势,对比分析了两方法受模态参数识别误差影响的情况。结果表明,两方法稳定性判据随着风速的增加具有良好的下降趋势,有助于颤振边界的提前预测。相比较而言,颤振裕度FM受阻尼比识别误差的影响更小,具有更好的鲁棒性。(3)基于三自由度二元机翼运动方程与系统稳定性分析方法,提出了适用于带控制面机翼的颤振边界预测方法,提出了稳定性参数并进行了数值仿真研究,验证了所提出判据提前预测颤振边界的有效性和准确性。在外推预测过程中定义了一个首值的概念,当风速小于首值时,各测点的预测结果趋于首值;当风速大于首值时,各测点的预测结果逐渐趋于实际颤振速度,且每个预测值都具有一定的安全裕度并可以帮助指导下一步的风速,有助于提高颤振试验的安全性。(4)对本文发展的紊流激励响应信号处理方法、模态参数识别方法与颤振边界预测方法进行了试验研究,对四个不同的风洞颤振试验算例(包括模态复杂的全机颤振风洞试验)进行了数据处理与颤振预测,并与实际颤振速度进行对比。试验结果表明,本文发展的方法技术能够有效地处理紊流激励响应信号,并得到准确的颤振预测结果。频率峰值倒数追踪法能够体现出信号各模态的能量随风速变化趋势,有助于判断危险模态;系统稳定性判据在颤振发生前的较低风速就具有良好的下降趋势,能够较早地预测出合理的颤振边界;采用速度-阻尼方法能够在颤振发生前的临界风速进行颤振预测。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V215.34
【部分图文】：

图 1. 1 气动弹性的力三角形气动力、惯性恢复力和弹性力三者耦合作用下产生生颤振，会在极短时间甚至几秒内发生结构破坏，成疲劳破坏[3]。因此，颤振是一种危险的振动形式记载的颤振发生在第一次世界大战初期 1916 年的

基于大气紊流激励响应的机翼颤振边界预测研究翼轰炸机上[4]。1940 年美国塔科马海峡吊桥在仅有 18m/s 的风载作用下也因为发生颤振而坍塌，如图 1.1（左）所示。仅在 1947-1956 年的十年间，美军军用飞机就发生了 54 起颤振事故，1967 年法国幻影 F-1 超音速战斗机因颤振而坠毁，1972 年西德与荷兰联合研制的“VFW614”型短程运输机因升降舵调整片发生颤振而失事。一直以来，研究人员逐步加深了对颤振问题的理解与认知，但现代飞机仍不断面临着颤振问题，比如：1991 年，台湾一架 IDF 飞机发生全机颤振而坠入海中；1997 年，美国一架 F-117 隐形飞机在飞行表演中也发生操纵面颤振而坠毁，如图 1.1（右）所示，此类事故不胜枚举。

机翼的前四阶固有模态及振型
【参考文献】

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本文编号：2853321