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大展弦比复合材料机翼动力学分析

作者：王洪伟 杨 茂

来源：《计算机辅助工程》2008年第02期

摘 要:针对结构非线性对大展弦比机翼动力学特性影响很大的问题,使用MSC Patran和MSC Nastran软件进行有限元建模及分析,将大展弦比机翼建成薄壁盒型梁模型. 研究大变形对机翼动力学特性的影响,比较复合材料盒型梁模型和金属盒型梁模型的计算结果,并讨论复合材料铺层顺序的改变对机翼动力学特性的影响. 研究表明:复合材料机翼的各阶固有频率明显高于铝合金机翼;铺层顺序会影响复合材料机翼的固有频率.

关键词:大展弦比机翼; 复合材料; 盒型梁; 有限元; MSC Patran; MSC Nastran 中图分类号:V211.47; O241.82 文献标志码: A

Dynamic analysis on high aspect ratio composite wing WANG Hongwei,YANG Mao

(School of Astronautics,Northwestern Polytechnical Univ.,Xi’an 710072,China)

Abstract:With the issue that structural nonlinearity has great effect on dynamic characteristics of high aspect ratio wing,the finite element modeling is built for high aspect ratio composite wing by using MSC Patran and Nastran,which is modeled as a thin-walled box beam. The effects of large deflections on dynamic characteristics of wing are studied. The computation results of composite box beam model are compared with metal box beam model. The effects of ply sequence of composite on dynamic characteristics are also discussed. The results indicate that the natural frequency of composite wing are higher than that of aluminum alloy wing,and ply sequence can influence the natural frequency of composite wing.

Key words:high aspect ratio wing; composite; box beam; finite element;MSC Patran; MSC Nastran 0 引 言

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高空长航时飞行器在长期侦察监控?环境监测和通信中继等军民两用方面具有非常广阔的发展前景,因此受到世界各国越来越多的重视,现已成为各国重点发展的武器装备之一.采用大展弦比机翼布局形式的飞行器因具有高升阻比特性,所以留空时间长?航程远.因此,高空长航时飞行器大多数采用大展弦比机翼布局形式,并普遍使用轻质?高比强度和高比刚度的复合材料结构.大展弦比和柔软的机翼导致飞机在正常飞行条件下机翼产生相当大的变形(翼尖位移可达半展长的25%).在气动载荷作用下,大展弦比机翼会产生较大变形;而大变形又对气动载荷重新分布和全机性能影响很大.这种气动/结构耦合的特点使飞行器飞行速度受到限制,飞行品质受到影响,机翼的自然频率和机翼的气动弹性特性产生明显变化.大展弦比机翼显著的几何非线性特征和复合材料的各向异性特性,使一般的线性气动弹性分析不能得到比较精确的结果.[1,2] 0.1 国内研究现状

由于缺乏型号支持,国内对大展弦比机翼气动弹性研究起步较晚,在理论研究和实际工程应用上与国外先进技术有一定差距.国内在大展弦比机翼动力学和气动弹性分析方面的理论研究主要集中在结构设计?结构几何非线性的影响?气动弹性分析与优化以及气动弹性剪裁上.对于大展弦比复合材料机翼的气动弹性分析主要集中在静气动弹性分析和颤振分析[3-7]上,很少进行动态响应分析.并且,国内多数研究[4]或使用线性结构模型及气动模型,或没有考虑复合材料机翼的刚度耦合问题.建立结构模型时多使用MSC Nastran软件[3-6];建立气动模型时多采用二维Theodorsen非定常理论结合气动片条理论[3-5],虽然THEODORSEN在20世纪早期就提出该理论,但目前国内外很多分析仍在使用该理论进行气动建模;在计算非定常气动力时多采用亚音速偶极子格网法[3-5],有的还采用CFD/CSD方法[7];在颤振分析时多使用V-g法和p-k法,而p-k法更适合在颤振速度优化时使用[5].另外,国内研究[3-7]主要针对详细设计的校验以及识别主要参数的影响,采用试验模型修正,对大展弦比复合材料机翼颤振物理特性研究还不够,不能更好地指导初步设计.

0.2 国外研究现状

美国从发展“U—2”有人侦察机到目前正在服役的“全球鹰”无人侦察机,再到采用大展弦比复合材料WBT(Wing-Body-Tail)?飞翼和连翼布局的更为先进的传感器飞行器(SensorCraft)[8],在高空长航时无人机的工程应用上一直处于领先地位,在大展弦比机翼气动弹性领域的研究也达到相当高的水平.目前,其关于气动弹性的主要研究仍然是机翼的颤振分析与优化以及气动弹性剪裁问题.

直升机旋翼所处的气动环境和工作环境都比固定翼要复杂很多,气动弹性问题是旋翼动力学研究的中心问题之一.PATIL等[9-12]把对直升机旋翼的研究理论应用在大展弦比机翼上,把机翼简化成矩形薄壁复合材料盒型梁,使用Theodorsen非定常理论计算非定常气动力,使用V-g法进行颤振分析;他还把整机简化成1组悬臂梁进行气动弹性分析,把用于结构动力学分析的几何精确?混合变分方程和ONERA动力学失速模型耦合在一起;其研究结果表明,颤振速度的降低由机翼的弯曲与扭转之间的非线性耦合引起,使用复合材料剪裁可以有效消除弯扭耦合.SMITH等

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[13]

把非线性结构梁理论和Euler方程耦合在一起,研究大展弦比机翼的气动弹性,研究结果表明

线性结构下估计的翼尖弯曲和扭转变形只占非线性下的3%~5%.

1 运动方程

由文献[14]知,如果不存在外激励,则梁的无阻尼自由振动方程为分别代表材料的弹性模量?转动惯量?密度?截面积和悬臂梁的长度,即可得到悬臂梁固有频率的理论解,并将此理论解与MSC Nastran求得频率进行比较.

2 算例及结果分析

因为模态和固有频率是进行大展弦比复合材料机翼气动弹性分析与优化的基础,所以建立基于几何非线性的大展弦比复合材料机翼的结构有限元模型,分析机翼结构动力学特性,求解机翼在大变形状态下的振动模态与固有频率.研究对象是典型的全复合材料大展弦比机翼,将该大展弦比机翼简化成矩形薄壁复合材料悬臂盒型梁,算例研究一展弦比为30的长直机翼,重心位于50%弦长处.有限元建模工具为MSC Patran,由MSC Nastran进行机翼的结构模态分析和固有频率计算.

2.1 有限元建模

真实机翼结构具有无限自由度,且由各种不同力学特性的构件组成,要对结构进行分析计算必须将真实结构简化为有限自由度计算模型.分析中将大展弦比机翼简化成悬臂梁,分别建立展弦比为30的铝合金盒型梁和复合材料盒型梁模型,长为 15 m,截面尺寸见图1.选用的复合材料为T 300/5208碳/环氧(具体参数见表1),单层厚度0.25 mm,共8层,以对称形式铺层.复合材料机翼模型除了采用复合材料元素以外,其他都与金属材料一样.

2.2 固有频率计算

依据机翼与机身的连接方式,将大展弦比机翼简化成悬臂盒型梁,进而进行固有模态分析.计算出前几阶固有频率,见表2.表中同时列出铝合金机翼固有频率的理论结果.可以看出,计算结果与理论结果基本一致,说明有限元建模比较准确.