氣動載荷處理方法研究

摘 要：高速運行飛行器受到氣動載荷的影響比較大。為了分析這種影響需要將分布的氣動載荷施加在結構中，完成結構的有限元分析。文章從氣動載荷處理到載荷篩選、載荷分配各個方面完整研究了氣動載荷處理的方法。

關鍵詞：氣動載荷；載荷篩選；載荷分配

近年來，我國航空航天各種飛行器技術的迅速發展。對于結構重量高度敏感的飛行器，重量是高度關注的焦點。為了提高飛行器的性能和有效載荷，飛行器設計過程中除了采用先進的材料以外，有效的設計結構也是非常重要的。為了更好的對結構設計進行優化，需要確定結構載荷，以便根據外載優化結構設計，得到最優設計方案。

1 氣動載荷處理流程

氣動載荷一般通過結構氣動外形通過流體力學計算得到分布載荷，分布載荷主要形式為各外形面氣動點的分布氣壓。處理氣動載荷的一般流程：（1）將氣動點氣壓積分到氣動點的分布載荷；（2）通過氣動總載對分布載荷進行修正；（3）將各氣動載荷進行嚴重工況篩選；（4）將篩選后的載荷工況分配到結構有限元模型中。

2 氣動載荷積分

根據氣動網格上的壓力分布，選擇合理的作用面積，將Cp載荷分布轉換為載荷點上的分布載荷（面積積分示意圖如圖1）。同時需要保證轉換后的載荷與原Cp載荷應滿足以下條件：

（1）保證各子部件的氣動載荷分布；（2）保證各子部件處理后的載荷對各個站位的累計彎矩、剪力、扭矩與總體專業提供的累計彎矩、剪力、扭矩一致。（3）保證各子部件處理后的總載荷和總壓心與Cp載荷一致。由于Cp分布每一點都不同，采用作用面積法積分得到的總載荷與原載荷存在誤差，需要對積分后的載荷進行修正處理。此處可以采用“正弦修正法”進行修正。正弦修正曲線見圖2。

3 氣動載荷篩選

在實際計算中，由于飛行器在飛行和地面運動中隨著運動狀態和操縱面的變化會產生非常多的載荷工況。為了簡化計算，提高效率，根據結構與載荷的線性關系，需要對各種氣動載荷按照一定的篩選原則篩選出載荷工況極值以及符合篩選原則的工況進行載荷分配。其他載荷則由于載荷較小而被篩選出來的載荷所覆蓋。篩選出來的極值載荷形成結構載荷包線。典型載荷包線見圖3。

4 氣動載荷分配

為了進行有限元計算，需要將氣動節點上的載荷按照一定的原則分配到有限元節點。

根據“多點排方案”：

假設有限元節點和氣動點之間有一根無形的梁元素（見圖4），它是氣動點一端固支有限元節點一端自由的懸臂梁。當自由端受分配到載荷Pi時，變形能為：

得：

即可得到各有限元節點所分配的載荷Pi。

5 結束語

氣動載荷分配處理是進行結構校核計算的基礎，決定了結構設計是否最優的基礎條件。在進行載荷處理的過程中需要合理設計氣壓積分的面積，同是需要對積分載荷進行精細化修正，保證載荷總載總壓心保持一致。在進行載荷分配時，合理選擇氣動點和結構有限元節點的分配關系，在保證平衡條件下的多個解中最優解，保證最終分配載荷與實際氣動載荷的一致性。

參考文獻

[1]飛機設計手冊（第九冊）載荷、強度和剛度[M].航空工業出版社，2001.