彈性全模突風(fēng)動(dòng)載荷風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)研究

摘要： 目前，歐美等世界主要航空大國(guó)已經(jīng)具備較為成熟的突風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)，但中國(guó)突風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)相對(duì)落后，特別是缺少大型風(fēng)洞全機(jī)級(jí)突風(fēng)試驗(yàn)裝置和相關(guān)技術(shù)。本文研制了突風(fēng)發(fā)生器、五自由度支撐系統(tǒng)和全機(jī)彈性模型，并進(jìn)行了全機(jī)模型突風(fēng)動(dòng)載荷風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：突風(fēng)流場(chǎng)穩(wěn)定，葉片兩端與風(fēng)洞中心位置突風(fēng)速度偏差小于25%；全機(jī)支撐系統(tǒng)支持剛度小而穩(wěn)定性好，能夠滿足突風(fēng)動(dòng)載荷試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻覓煲螅徊捎梅蔷鶆蛲伙L(fēng)場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果接近，翼根彎矩誤差小于15%，翼尖過(guò)載絕對(duì)值誤差小于0.2g。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)洞試驗(yàn)； 突風(fēng)發(fā)生器； 懸掛系統(tǒng)； 彈性全模； 突風(fēng)動(dòng)載荷

中圖分類號(hào)： V211.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1004-4523（2024）10-1775-08

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2024.10.016

引 言

突風(fēng)動(dòng)載荷是飛機(jī)飛行過(guò)程中經(jīng)常遭遇的典型動(dòng)載荷問(wèn)題。飛機(jī)可能在嚴(yán)重的突風(fēng)環(huán)境中由于超載而損壞，而普遍情況下的中等突風(fēng)則是飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞損傷的主要來(lái)源［1］。隨著翼展的提高和碳纖維等新材料的廣泛使用，機(jī)體結(jié)構(gòu)的柔性不斷增大，彈性模態(tài)固有振動(dòng)頻率逐漸降低，突風(fēng)更易激起機(jī)翼等部件的低階彎曲振動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)體結(jié)構(gòu)承受很大的附加動(dòng)態(tài)載荷［2］。目前，突風(fēng)載荷工況已經(jīng)成為大型運(yùn)輸類飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)必須考慮的載荷工況，彈性機(jī)體突風(fēng)動(dòng)載荷的高精度預(yù)測(cè)對(duì)飛行安全和飛行品質(zhì)有著非常重要的影響。

現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)通常利用主動(dòng)控制技術(shù)來(lái)控制操縱面偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而改變氣動(dòng)力的分布從而抑制飛機(jī)在突風(fēng)環(huán)境中的機(jī)體響應(yīng)，達(dá)到降低機(jī)體載荷、提高乘坐舒適度和延長(zhǎng)疲勞壽命［3］的目的。美國(guó)從20世紀(jì)60年代起就開(kāi)始進(jìn)行突風(fēng)動(dòng)載荷減緩設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證工作，已經(jīng)發(fā)展了比較成熟的突風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)，一些飛機(jī)上也已經(jīng)開(kāi)始采用突風(fēng)動(dòng)載荷減緩控制技術(shù)，如美國(guó)在B?52，C?5A，L1011?55等飛機(jī)上采用突風(fēng)動(dòng)載荷減緩控制技術(shù)完成了飛行試驗(yàn)驗(yàn)證工作［4?8］，而現(xiàn)代大型民用飛機(jī)，如波音B787和空客A380等均成功應(yīng)用了突風(fēng)動(dòng)載荷減緩控制技術(shù)［9］。

中國(guó)在突風(fēng)動(dòng)載荷風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)研究方面起步較晚，20世紀(jì)80年代，北京航空航天大學(xué)等高校開(kāi)始開(kāi)展突風(fēng)動(dòng)載荷和減緩控制及相關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)的研究［10?11］。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著民機(jī)產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)性發(fā)展，突風(fēng)動(dòng)載荷減緩技術(shù)的應(yīng)用需求在工程型號(hào)研制中逐漸顯露出來(lái)，出現(xiàn)了研究熱潮［12?15］。目前中國(guó)突風(fēng)動(dòng)載荷減緩技術(shù)的成熟度還不高，主要還是集中在方法研究和理論驗(yàn)證方面，而且已有方法的突風(fēng)動(dòng)載荷減緩效果和適用性并不理想，只是在某些速度和某些頻率下的個(gè)別目標(biāo)減緩量較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)寬頻域突風(fēng)場(chǎng)所有關(guān)心參數(shù)的減緩。

目前，中國(guó)低速風(fēng)洞突風(fēng)試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)得到了一定的發(fā)展［16?17］，對(duì)于部件級(jí)突風(fēng)動(dòng)載荷風(fēng)洞試驗(yàn)開(kāi)展了較多的探索和研究，但是在全機(jī)突風(fēng)動(dòng)載荷風(fēng)洞試驗(yàn)方面，積累還是較少，也缺少相應(yīng)的大型風(fēng)洞突風(fēng)試驗(yàn)設(shè)備。因此，迫切需要研制一套能夠滿足未來(lái)型號(hào)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證要求的大型低速風(fēng)洞突風(fēng)試驗(yàn)裝置，并開(kāi)展彈性全模突風(fēng)動(dòng)載荷風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)研究。

1 突風(fēng)發(fā)生器研制

1.1 突風(fēng)發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了得到滿意的突風(fēng)流場(chǎng)品質(zhì)，在突風(fēng)發(fā)生器設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮風(fēng)洞的幾何參數(shù)、流場(chǎng)特性、風(fēng)洞結(jié)構(gòu)以及突風(fēng)發(fā)生器性能需求等。在構(gòu)型選擇上需考慮風(fēng)洞特點(diǎn)、阻塞度要求、空間限制、安裝要求等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需考慮剛度、強(qiáng)度、疲勞及可靠性要求。特別要重點(diǎn)解決葉片更大剛度和更小質(zhì)慣量之間的矛盾，這樣才能提高葉片彈性模態(tài)頻率以避免與試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃惋L(fēng)洞洞體產(chǎn)生共振現(xiàn)象。此外，葉片和驅(qū)動(dòng)/傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在使用過(guò)程中要承受高頻運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的交變動(dòng)載荷，零部件易發(fā)生疲勞失效，設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注。另外，突風(fēng)發(fā)生器的設(shè)計(jì)還需綜合考慮洞體因素的影響，要進(jìn)行突風(fēng)發(fā)生器?洞體的流固耦合穩(wěn)定性分析，并避免突風(fēng)發(fā)生器與洞體的頻率與突風(fēng)場(chǎng)耦合。

世界上現(xiàn)有風(fēng)洞普遍采用葉柵式突風(fēng)發(fā)生器，為了保證運(yùn)動(dòng)同步性，主要采用連桿機(jī)構(gòu)或凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)［18?19］。這種驅(qū)動(dòng)形式由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)多，突風(fēng)發(fā)生器工作時(shí)振動(dòng)響應(yīng)大、系統(tǒng)共振點(diǎn)多、可靠性差，大大限制了試驗(yàn)?zāi)芰捎妙l率。為了提升試驗(yàn)可用頻率范圍，這里采用單個(gè)葉片獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方案以減少傳動(dòng)環(huán)節(jié)，并通過(guò)聯(lián)合控制系統(tǒng)來(lái)保證運(yùn)動(dòng)的同步性。

考慮大型風(fēng)洞的幾何尺寸，突風(fēng)發(fā)生器的葉片翼型采用NACA0015，該翼型失速攻角大，翼型空間大，適合硬件安裝。葉片結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了復(fù)合材料鋪層數(shù)和鋪層方向的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終使葉片滿足剛度和強(qiáng)度等綜合設(shè)計(jì)要求?？紤]到風(fēng)洞寬8 m以及模型展長(zhǎng)70%的限制要求，葉片展長(zhǎng)設(shè)計(jì)為6 m，且為了便于加工制造及風(fēng)洞安裝，將葉片沿展向分為3段，每段長(zhǎng)度為2 m。同時(shí)為了提高葉片剛度，在葉片對(duì)接處設(shè)計(jì)了2個(gè)豎向支撐，具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

根據(jù)突風(fēng)發(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)建立包含豎向支撐以及4組葉片的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有限元模型，如圖2所示。葉片蒙皮、肋采用正應(yīng)力板單元模擬；葉片主梁及豎向支撐采用梁?jiǎn)卧M；填充泡沫采用體單元模擬；鎢粉配重采用集中質(zhì)量單元模擬；質(zhì)量單元與結(jié)構(gòu)的連接、主梁與肋的連接以及葉片與豎向支撐的連接采用剛體單元。在葉片兩端通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸支撐，放開(kāi)軸向旋轉(zhuǎn)自由度，豎向支撐上、下兩端采用固支約束。采用MSC.Nastran軟件中Lanczos法進(jìn)行固有振動(dòng)模態(tài)分析，其中第一階彈性模態(tài)頻率為23.5 Hz，振型如圖3所示。突風(fēng)發(fā)生器結(jié)構(gòu)固有頻率遠(yuǎn)高于突風(fēng)頻率設(shè)計(jì)指標(biāo)10 Hz，避免了共振。

1.2 突風(fēng)發(fā)生器流固耦合分析

在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有限元模型基礎(chǔ)上，需要仿真計(jì)算突風(fēng)發(fā)生器的剛體運(yùn)動(dòng)和彈性變形運(yùn)動(dòng)。通過(guò)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)葉片表面彈性變形運(yùn)動(dòng)的模擬。而對(duì)于葉片整體的剛體運(yùn)動(dòng)，可采用的方法包括動(dòng)網(wǎng)格法、滑移網(wǎng)格法和嵌套網(wǎng)格法［20?22］。動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算需要局部網(wǎng)格的變形，而突風(fēng)發(fā)生器葉片和其支撐結(jié)構(gòu)之間的距離非常小，葉片又需要與支撐結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)且旋轉(zhuǎn)幅度非常大，因此僅使用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)?；凭W(wǎng)格方法對(duì)網(wǎng)格尺寸和時(shí)間步長(zhǎng)有嚴(yán)格要求，并且滑移邊界需要包含整個(gè)計(jì)算物面且不能相互干涉，而突風(fēng)發(fā)生器葉片間的尺寸不滿足建立滑移網(wǎng)格的要求，因此無(wú)法采用滑移網(wǎng)格方法實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片剛性運(yùn)動(dòng)的模擬。

嵌套網(wǎng)格技術(shù)將復(fù)雜的流動(dòng)區(qū)域分成幾何邊界較為簡(jiǎn)單的子區(qū)域（一個(gè)背景網(wǎng)格和多個(gè)前景網(wǎng)格），各個(gè)子區(qū)域中的計(jì)算網(wǎng)格獨(dú)立生成，彼此存在重疊關(guān)系，流場(chǎng)信息通過(guò)插值在重疊區(qū)邊界進(jìn)行匹配和耦合。因此，需要插值計(jì)算的網(wǎng)格只需包圍物面且對(duì)形狀無(wú)要求，每個(gè)區(qū)域均可生成高質(zhì)量網(wǎng)格。對(duì)于復(fù)雜輪廓加多體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，尤為適合采用嵌套網(wǎng)格技術(shù)。通過(guò)幾何外形拓?fù)潢P(guān)系，繪制六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量共計(jì)1500萬(wàn)，網(wǎng)格質(zhì)量0.3以上，建立的突風(fēng)發(fā)生器嵌套網(wǎng)格如圖4所示。從圖中可以看到，所繪制的計(jì)算網(wǎng)格從正交性、網(wǎng)格尺度、疏密變化等均可以滿足計(jì)算要求。

采用嵌套網(wǎng)格技術(shù)建立突風(fēng)發(fā)生器葉片及風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)內(nèi)部流體計(jì)算網(wǎng)格，其中突風(fēng)發(fā)生器的葉片和轉(zhuǎn)軸為前景網(wǎng)格，風(fēng)洞洞體內(nèi)部為背景網(wǎng)格，通過(guò)結(jié)合嵌套網(wǎng)格技術(shù)以及剛性動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)由葉片偏轉(zhuǎn)形成的突風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真。同時(shí)，對(duì)初始狀態(tài)的結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到葉片不同偏轉(zhuǎn)角下的結(jié)構(gòu)模態(tài)。

在此基礎(chǔ)上，采用CFD/CSD時(shí)域松耦合求解算法，在突風(fēng)發(fā)生器葉片所在的前景網(wǎng)格上采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)壁面邊界彈性變形的模擬，其中CFD/CSD數(shù)據(jù)交換和動(dòng)網(wǎng)格通過(guò)徑向基函數(shù)（RBF）方法進(jìn)行一體化實(shí)現(xiàn)。在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)，首先求解前景網(wǎng)格剛性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的網(wǎng)格位移，然后再求解葉片彈性變形產(chǎn)生的網(wǎng)格位移，兩者疊加，從而實(shí)現(xiàn)葉片的剛性?彈性耦合運(yùn)動(dòng)的求解。其中，每一步的剛性網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)均是基于初始網(wǎng)格進(jìn)行求解，而每一步的彈性變形是根據(jù)這一步的剛性網(wǎng)格變化后的位置和坐標(biāo)變化后的模態(tài)進(jìn)行求解。

通過(guò)CFD/CSD時(shí)域耦合求解，計(jì)算突風(fēng)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及試驗(yàn)段內(nèi)突風(fēng)流場(chǎng)變化，分析結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以及突風(fēng)發(fā)生器的彈性效應(yīng)對(duì)突風(fēng)流場(chǎng)品質(zhì)的影響。

風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸為8 m×6 m×20 m，突風(fēng)發(fā)生器葉片水平放置于試驗(yàn)段上游距入口7.6 m處，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉片陣列正弦偏轉(zhuǎn)。在突風(fēng)發(fā)生器下游設(shè)置27個(gè)計(jì)算點(diǎn)，用于監(jiān)控該處Z方向突風(fēng)速度的變化，具體坐標(biāo)如圖5所示。

突風(fēng)發(fā)生器整體變形最大值（三個(gè)方向）隨時(shí)間變化曲線如圖6所示，在一個(gè)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)，所有葉片的最大彈性變形量不超過(guò)1.2 mm。沿Z方向的變形占主導(dǎo)地位，呈現(xiàn)出非正弦型周期變化，這是因?yàn)檫@里統(tǒng)計(jì)的是所有葉片的最大變形，每一時(shí)刻最大變形所處的坐標(biāo)不一定相同。沿X方向的變形幾乎不會(huì)小于0，并且周期是Z方向變形的一半，這是因?yàn)閄方向的變形所需的力為空氣阻力，而阻力在X方向的分量一直為正。Y方向的變形可以忽略。

由于突風(fēng)發(fā)生器在工作過(guò)程中彈性變形小，因此對(duì)產(chǎn)生的突風(fēng)剖面影響也很小，突風(fēng)幅值會(huì)略微減小，而突風(fēng)頻率基本不變，如圖7所示，將葉片作為剛性結(jié)構(gòu)而不考慮彈性變形與考慮葉片彈性變形所產(chǎn)生的突風(fēng)剖面形狀基本一致。

1.3 風(fēng)洞實(shí)測(cè)突風(fēng)場(chǎng)

根據(jù)設(shè)計(jì)的突風(fēng)發(fā)生器葉片和支撐裝置形式，生產(chǎn)制造了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件，如圖8所示；并在風(fēng)洞中進(jìn)行了安裝調(diào)試，通過(guò)控制系統(tǒng)給電機(jī)發(fā)送指令來(lái)驅(qū)動(dòng)葉片按照設(shè)定的頻率和角度擺動(dòng)。其中葉片擺動(dòng)角度的偏轉(zhuǎn)規(guī)律可以設(shè)置為正弦波、階躍波或三角波等，從而產(chǎn)生相應(yīng)形態(tài)的突風(fēng)場(chǎng)。通過(guò)煙流激光手段顯示了突風(fēng)流場(chǎng)，如圖9和10所示，葉片按照不同的規(guī)律擺動(dòng)可以產(chǎn)生形態(tài)穩(wěn)定的正弦波形突風(fēng)和三角波形突風(fēng)。來(lái)流速度為20 m/s，葉片擺動(dòng)幅度為2°時(shí)，五孔探針測(cè)得的突風(fēng)速度和仿真計(jì)算突風(fēng)速度值對(duì)比如圖11所示。由于突風(fēng)發(fā)生器中間豎向支撐和結(jié)構(gòu)間隙等對(duì)氣流的影響，以及各葉片獨(dú)立擺動(dòng)頻率之間的微小差別等因素，會(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)突風(fēng)速度與計(jì)算值之間有一定偏差，目前實(shí)測(cè)突風(fēng)速度與計(jì)算值相差小于10%，葉片兩端與中心位置突風(fēng)速度相差小于25%，遠(yuǎn)優(yōu)于俄羅斯T104風(fēng)洞［23］。在風(fēng)速為40 m/s情況下，葉片不同頻率和偏轉(zhuǎn)角度下風(fēng)洞中心位置實(shí)測(cè)突風(fēng)速度如圖12所示，最大突風(fēng)頻率可達(dá)10 Hz，最大風(fēng)速為12 m/s，能夠滿足工程單位的需求。

2 全機(jī)模型懸掛系統(tǒng)研制

2.1 五自由度雙索懸浮支撐系統(tǒng)

風(fēng)洞試驗(yàn)中目前常用的彈性模型支撐系統(tǒng)包括源于俄羅斯的五自由度張緊力懸浮支撐系統(tǒng)和美國(guó)的雙索懸掛系統(tǒng)［24?26］。鑒于五自由度張緊力懸浮支撐系統(tǒng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜且對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)阻塞度較大，雙索懸掛系統(tǒng)輔助鋼索較為復(fù)雜，需要風(fēng)洞上下洞壁提供較多結(jié)構(gòu)接口和滑輪機(jī)構(gòu)，且在模型重量較大情況下難以實(shí)現(xiàn)支撐，本文設(shè)計(jì)了一套全機(jī)模型五自由度雙索懸浮支撐系統(tǒng)。

全模五自由度雙索懸浮支撐系統(tǒng)包括兩部分：彈簧懸吊系統(tǒng)和雙索支撐系統(tǒng)，如圖13所示。其中彈簧懸吊系統(tǒng)是由垂直鋼索和彈簧系統(tǒng)構(gòu)成，在模型的對(duì)稱面上，用兩根鋼索懸掛全機(jī)模型，每根鋼索的上端連有彈簧（風(fēng)洞上洞壁外），通過(guò)彈簧與風(fēng)洞固定頂部的吊掛點(diǎn)相連，鋼索的下端直接吊掛在機(jī)身上，吊掛點(diǎn)在機(jī)身梁上的位置通常選在機(jī)身一階垂直彎曲的兩個(gè)節(jié)線處，它們豎直放置。雙索支撐系統(tǒng)由兩組鋼索支持：一組位于風(fēng)洞的上游位置（前端鋼索），且在風(fēng)洞垂向平面內(nèi)，鋼索通過(guò)滑輪連接到風(fēng)洞固定頂部和固定底部，也可拓展為彈性支撐；另一組位于風(fēng)洞的下游位置（后端鋼索），且在風(fēng)洞水平面內(nèi)，鋼索通過(guò)連接在機(jī)身梁上的滑輪（一般選擇與機(jī)身重心等高）以及固定在風(fēng)洞側(cè)壁的滑輪引到風(fēng)洞外，鋼索的兩個(gè)自由端連接砝碼，通過(guò)調(diào)節(jié)砝碼重量以實(shí)現(xiàn)全機(jī)模型的穩(wěn)定控制。

2.2 懸掛系統(tǒng)振動(dòng)特性分析

彈簧懸吊系統(tǒng)是全機(jī)模型五自由度雙索懸浮支撐系統(tǒng)的主要組成部分，懸吊系統(tǒng)具體參數(shù)設(shè)計(jì)主要包含吊掛點(diǎn)位置和彈簧尺寸。模型吊掛點(diǎn)的位置一般選在機(jī)身一階垂直彎曲的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上，這樣對(duì)機(jī)身模態(tài)頻率影響較小。由于彈簧對(duì)模型的升降運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了彈性約束，因此彈簧剛度至關(guān)重要。彈簧剛度不能太小，否則彈簧在模型重力作用下的伸長(zhǎng)量太大。同時(shí)，彈簧剛度也不能太大，盡量滿足模型支持系統(tǒng)的最高頻率低于模型最低階彈性模態(tài)頻率的1/3的要求。全機(jī)模型最低階彈性模態(tài)頻率為3.07 Hz，為滿足1/3要求時(shí)，支持系統(tǒng)的最高階頻率為1.02 Hz。根據(jù)公式，計(jì)算得到彈簧總剛度為799 N/m，并按照彈簧位置和變形一致要求計(jì)算前后彈簧剛度。

為了準(zhǔn)確分析吊掛系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響，需要在全機(jī)有限元縮比模型的基礎(chǔ)上建立吊掛系統(tǒng)有限元模型。這里采用彈簧單元來(lái)模擬吊掛系統(tǒng)中鋼索頂端所連接的彈簧，并采用剛體單元來(lái)模擬吊掛系統(tǒng)中的兩根垂直鋼索。

雙索支撐系統(tǒng)是全模五自由度雙索懸浮支撐系統(tǒng)的主要組成部分，雙索支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要確定兩個(gè)關(guān)鍵因素：一是位置，二是狀態(tài)。位置的確定是指前、后端滑輪到重心的距離（e和a值），以及鋼索在風(fēng)洞壁上的幾何位置。前后端鋼索位置可以參考機(jī)身一彎節(jié)點(diǎn)位置，從而保證剛體模態(tài)低頻要求，而且要求a值盡量靠后，這樣才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。鋼索在風(fēng)洞壁上的幾何位置，要求前端鋼索盡量往前，后端鋼索盡量往后；狀態(tài)的確定包括鋼索和滑輪之間的摩擦系數(shù)，以及鋼索后端砝碼重量的選取。鋼索和滑輪摩擦系數(shù)在低速風(fēng)洞試驗(yàn)中是越低越好。鋼索后端張力要求與重力相當(dāng)，最好在重力的1～2倍范圍內(nèi)，太小不能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，太大模型的自由運(yùn)動(dòng)又受到限制。本文前后端鋼索在機(jī)身上位置選取與彈簧懸吊位置一致，鋼索在風(fēng)洞壁上的位置要選擇合理以實(shí)現(xiàn)前端上、下鋼索之間和后端左右鋼索之間的夾角分別達(dá)到90°以上，鋼索后端砝碼選取1倍模型重量。下面對(duì)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的雙索懸浮支撐系統(tǒng)進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)建模分析，建立的模型如圖14所示。在模型重心處施加強(qiáng)迫激勵(lì)力，檢查系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，如圖15所示，當(dāng)懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理時(shí)將發(fā)生傾覆現(xiàn)象。通過(guò)模型速度響應(yīng)的頻響分析，得到剛體運(yùn)動(dòng)頻率為1.3 Hz，如圖16所示，與前面理論分析結(jié)果基本一致，說(shuō)明鋼索和砝碼系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)剛體頻率影響較小。

3 突風(fēng)動(dòng)載荷風(fēng)洞試驗(yàn)

3.1 突風(fēng)動(dòng)載荷模型研制

在風(fēng)洞試驗(yàn)中，目前常用的彈性模型為顫振模型［27?28］，突風(fēng)動(dòng)載荷模型與顫振模型類似，需要滿足質(zhì)量和剛度設(shè)計(jì)要求。在模型研制中，采用了金屬梁+維形框+配重的結(jié)構(gòu)形式，并使用了鋁合金、鎢鎳鐵、玻璃布、德固賽、輕木、棉紙等多種材料，如圖17所示，最終實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的模擬。

3.2 模型地面試驗(yàn)

對(duì)于突風(fēng)動(dòng)載荷模型，在進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)前，需要進(jìn)行地面共振試驗(yàn)以確定模型的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性。全機(jī)地面共振試驗(yàn)實(shí)測(cè)頻率與計(jì)算頻率對(duì)比如表1所示，主要振動(dòng)模態(tài)頻率的誤差在5%以內(nèi)。

3.3 模型風(fēng)洞試驗(yàn)

在突風(fēng)動(dòng)載荷風(fēng)洞試驗(yàn)方面，俄羅斯和美國(guó)研究較早，形成了較為成熟的突風(fēng)試驗(yàn)裝置和技術(shù)，而中國(guó)的相關(guān)研究主要集中在彈性機(jī)翼或半翼展模型突風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)，多為一些原理性的研究［29］。本文在前述研制的突風(fēng)發(fā)生器、雙索懸浮支撐系統(tǒng)和彈性模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行了彈性全模突風(fēng)動(dòng)載荷風(fēng)洞試驗(yàn)。全機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)較為復(fù)雜，如圖18所示，涉及彈性模型、懸掛系統(tǒng)、測(cè)量線、風(fēng)速測(cè)量裝置等方面。

4 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析

在突風(fēng)葉片相同偏轉(zhuǎn)角和不同擺動(dòng)頻率下，通過(guò)模型機(jī)翼翼尖加速度傳感器和根部應(yīng)變片測(cè)得機(jī)翼翼尖振動(dòng)響應(yīng)以及翼根載荷變化。這里對(duì)比分析了來(lái)流速度分別為20和30 m/s，葉片偏轉(zhuǎn)角為2°和不同擺動(dòng)頻率下的模型動(dòng)載荷變化，如圖19～22所示。仿真計(jì)算所采用的突風(fēng)模型數(shù)學(xué)公式為：

式中 為突風(fēng)速度幅值；為突風(fēng)尺度；為突風(fēng)場(chǎng)距離模型機(jī)頭的距離；為自由來(lái)流速度；為展向分布函數(shù)：

式中 m為突風(fēng)速度幅值在風(fēng)洞中心與風(fēng)洞側(cè)邊的比值；b為風(fēng)洞寬度；y為風(fēng)洞中任意位置點(diǎn)與風(fēng)洞中心的距離；n為展向分布因子。

圖19～22中曲線顯示，考慮了風(fēng)洞中沿模型機(jī)翼展向突風(fēng)速度非均勻性分布的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)情況更為符合，這與圖11中實(shí)測(cè)突風(fēng)場(chǎng)葉片兩端與中心位置突風(fēng)速度有接近25%偏差的規(guī)律相一致，其中翼根彎矩計(jì)算值與風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)測(cè)值誤差小于15%，而翼尖過(guò)載相對(duì)誤差基本都小于20%，除了在1～2 Hz低頻范圍，由于機(jī)翼翼尖過(guò)載絕對(duì)值較小，導(dǎo)致在信號(hào)傳輸?shù)认到y(tǒng)誤差影響下相對(duì)誤差較大，但絕對(duì)值差別也都小于0.2g。

5 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)突風(fēng)發(fā)生器葉片剛度、質(zhì)量和強(qiáng)度的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)葉片彈性變形的控制，且第一階彈性模態(tài)頻率為23.5 Hz，從而能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的寬頻域?qū)捤儆蛲伙L(fēng)場(chǎng)，葉片兩端與風(fēng)洞中心位置突風(fēng)速度偏差較小；

（2）五自由度雙索懸浮支撐系統(tǒng)可以通過(guò)彈簧剛度、懸掛位置和砝碼重量的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程中的靜動(dòng)穩(wěn)定性，并且支撐剛度小，能夠滿足彈性全模突風(fēng)動(dòng)載荷試驗(yàn)的要求；

（3）本文設(shè)計(jì)的突風(fēng)發(fā)生器、支撐系統(tǒng)和試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)試效果良好，能夠較好地滿足大型風(fēng)洞突風(fēng)動(dòng)載荷試驗(yàn)的要求，且突風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果非常接近。

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Study on gust wind tunnel test for a full elastic aircraft model

ZHAO Dong-qiang1，2，YANG Zhi-chun2，YU Jin-ge3，ZENG Xian-ang1，HUANG Guo-ning1

（1.The First Aircraft Institute of AVIC，Xi’an 710089，China； 2.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China；3.AVIC Aerodynamics Research Institute，Harbin 150001，China）

Abstract： At present，the big aviation countries already have mature gust wind tunnel test technology，but which is relatively backward in China，especially the gust wind tunnel tests equipment and technology of full aircraft model are lack. In this paper，a gust generator，a five-degree-of-freedom suspension system and a full elastic aircraft model are developed，and the wind tunnel tests of the whole model are carried out. The test results show that the gust field is stable，and the deviation of the gust velocity between the two ends and the center of the wind tunnel is less than 25%. The support stiffness of the model suspension system is small and the stability is good，which can meet the requirements of the gust wind tunnel test. The simulation results of the non-uniform gust field are close to those of the wind tunnel test，and the error of the moment of the wing root is less than 15%，and the error of wing tip overload is less than 0.2g.

Key words： wind tunnel test； gust generator；suspension system； full elastic aircraft model； gust load

作者簡(jiǎn)介： 趙冬強(qiáng)（1982―），男，博士，研究員。電話：（029）86833077； E-mail： 1215allan@163.com。