基于CFDD的柔性飛翼飛行器顫振點(diǎn)分析?

王民泰 曹云峰 劉海穎 鄭維新

（南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院 南京 210016）

1 引言

柔性飛行器具有大展弦比特點(diǎn)，與普通飛行器相比，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、高空長(zhǎng)航時(shí)能力及多任務(wù)執(zhí)行能力等。大柔性飛行器有以下三種布局：?jiǎn)我聿季?、?lián)接翼布局和飛翼布局。

圖1（a）是柔性單翼飛行器［1］，與固定翼飛行器結(jié)構(gòu)類似，但機(jī)翼相比較于固定翼飛行器機(jī)翼要更加細(xì)長(zhǎng)。其優(yōu)點(diǎn)是展弦比大、質(zhì)量輕；其缺點(diǎn)是機(jī)身阻力大，不能完成對(duì)靈活性要求較高的任務(wù)。

圖1（b）是柔性聯(lián)接翼飛行器［2］，其框架結(jié)構(gòu)是通過(guò)后掠前翼與前掠后翼兩部分聯(lián)接組成。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、穩(wěn)定，飛行器框架結(jié)構(gòu)小，更靈活，且飛行速度快；其缺點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)彈性、控制方面存在耦合，情況復(fù)雜，在控制律設(shè)計(jì)方面難度較大。

圖1 柔性飛行器常見(jiàn)的三種翼型

圖1（c）是柔性飛翼飛行器［3］，當(dāng)前柔性飛行器大多采用這種布局。其優(yōu)點(diǎn)是飛行器重量小，飛行時(shí)受到阻力更小，而且飛行器升力面大，飛行時(shí)獲得的升力更大。此外，在隱蔽性方面相比較于其他兩種布局也有一定的優(yōu)勢(shì)；其缺點(diǎn)是飛行器縱向穩(wěn)定性較差，有發(fā)生飛行器靜不穩(wěn)的可能；更重要的是，相比于其他兩種柔性飛行器，飛翼布局的結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)彈性的耦合性更強(qiáng)，會(huì)隨著有效載荷的變化而產(chǎn)生大變形。

南昌航空大學(xué)的徐江鋒［4］通過(guò)對(duì)柔性飛行器機(jī)翼部分建立三維模型，并通過(guò)軟件CFX對(duì)模型進(jìn)行分析，最后針對(duì)機(jī)翼的彎曲變形部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種可以減少柔性飛行器機(jī)翼受氣動(dòng)載荷影響的方案。北京航空航天大學(xué)的馬鐵林［5］通過(guò)從流體力學(xué)以及結(jié)構(gòu)力學(xué)兩個(gè)方面求解柔性飛行器的氣動(dòng)特性，通過(guò)該方法求解發(fā)現(xiàn)機(jī)翼受到載荷影響變形之后，升阻比減小，氣動(dòng)性影響減弱。

本文著重于地面振動(dòng)測(cè)試的后處理算法，采用一種新型的CFDD估計(jì)模態(tài)頻率和振動(dòng)模式的形狀，并通過(guò)正交響應(yīng)法加以驗(yàn)證。這是建立在明尼蘇達(dá)大學(xué)（UMN）無(wú)人飛行器實(shí)驗(yàn)室［6～7］以前的工作基礎(chǔ)上的，其中的地面振動(dòng)實(shí)驗(yàn)（GVT）是在洛克希德·馬丁公司和空軍研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的機(jī)身自由顫振飛行器［8］上進(jìn)行的。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)（飛行和地面測(cè)試）數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)模型和飛行軟件可在PAAW網(wǎng)站上免費(fèi)獲得。

2 “mAEWing1”號(hào)飛行器

洛克希德·馬丁公司制造了一系列飛行器。該系列的第一架飛行器被命名為“mAEWing1”［9］，如圖2所示。到目前為止，已經(jīng)設(shè)計(jì)和建造了兩種不同的機(jī)體和三種不同柔性的機(jī)翼。這架飛行器采用模塊化設(shè)計(jì)，機(jī)翼和機(jī)體可以分開(kāi)，可以互換使用。機(jī)翼有一個(gè)矩形翼梁作為主要的載荷構(gòu)件。通過(guò)用泡沫包裹支撐結(jié)構(gòu)來(lái)獲得空氣動(dòng)力學(xué)形狀。有關(guān)這些飛機(jī)的設(shè)計(jì)，建造和測(cè)試的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn)［9］。

圖2 “mAEWing1”號(hào)飛行器

3 模態(tài)分析

3.1 模型A

模型A的力傳感器是用模型粘土安裝的。在20個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)位置進(jìn)行了10組GVT分析，目標(biāo)頻率范圍設(shè)置為3Hz～35Hz。使用CFDD和正交響應(yīng)兩種方法分析時(shí)域數(shù)據(jù)，這兩種方法在模態(tài)頻率方面給出了相似的結(jié)果，如表1的第1～3列所示。使用兩種方法獲得的模式形狀也是相似的，其中，使用CFDD獲得的目標(biāo)頻率范圍內(nèi)的四種模式形狀如圖3所示。

圖3 曲線擬合頻域分解法產(chǎn)生的模態(tài)形狀：模型A的第一次模態(tài)分析

為了更加細(xì)致地觀察到噪聲對(duì)模式形狀估計(jì)的影響，進(jìn)行了第二次GVT分析，這次線性調(diào)頻激發(fā)的頻率范圍被限制在3Hz～13Hz，以更清晰地解析前兩種模式形狀。表1的第4～5列給出了模態(tài)頻率，這兩個(gè)模態(tài)都是使用這兩種方法從GVT分析中獲得的。與第一次GVT分析相比，模態(tài)頻率只發(fā)生了很小的變化。

表1 模型A的模態(tài)頻率

使用CFDD獲得的模式形狀如圖4所示。可以看出，傳導(dǎo)具有較低目標(biāo)頻率范圍的GVT有助于降低模式形狀中的噪聲。

圖4 曲線擬合頻域分解法產(chǎn)生的模態(tài)形狀：模型A的第二次模態(tài)分析

3.2 模型B

與模型A的配置相比，模型B的裝置有一些改進(jìn)。力傳感器通過(guò)熱熔膠安裝在飛機(jī)上，與模型A使用粘土底座相比，熱熔膠底座更加堅(jiān)硬。因此，力傳遞更有效，力測(cè)量中的噪音更小，測(cè)得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

對(duì)GVT數(shù)據(jù)應(yīng)用了CFDD和正交響應(yīng)兩種方法。在3Hz～35Hz的目標(biāo)頻率范圍內(nèi)，CFDD能夠識(shí)別包括扭轉(zhuǎn)模態(tài)在內(nèi)的5種模態(tài)，而正交響應(yīng)法不能識(shí)別其中的彎曲模態(tài)（模態(tài)2）。表2給出了兩種方法識(shí)別的模態(tài)頻率。

表2 模型B的模態(tài)頻率

使用CFDD識(shí)別的前五種模式形狀如圖5所示?？梢钥闯觯捎谠谀Ｐ虰在裝置上的改進(jìn)，與模型A獲得的模式形狀相比，總體上噪聲較小。

圖5 曲線擬合頻域分解法產(chǎn)生的模態(tài)形狀：模型B的模態(tài)分析

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于CFDD的柔性飛翼飛行器模態(tài)分析方法，并借助UMN無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)室在mAEWing1系列飛行器上進(jìn)行的GVT數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分析。將通過(guò)CFDD所得模態(tài)頻率與通過(guò)正交響應(yīng)法得出的模態(tài)頻率進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩種方法在對(duì)稱模態(tài)中分析結(jié)果相似，而CFDD還適用于非對(duì)稱、扭轉(zhuǎn)等多種模態(tài)。最后本文以動(dòng)畫(huà)形式展現(xiàn)出飛行器的模態(tài)形狀。