基于CFDD的柔性飛翼飛行器顫振點分析?

王民泰 曹云峰 劉海穎 鄭維新

（南京航空航天大學航天學院 南京 210016）

1 引言

柔性飛行器具有大展弦比特點，與普通飛行器相比，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、高空長航時能力及多任務(wù)執(zhí)行能力等。大柔性飛行器有以下三種布局：單翼布局、聯(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，但機翼相比較于固定翼飛行器機翼要更加細長。其優(yōu)點是展弦比大、質(zhì)量輕；其缺點是機身阻力大，不能完成對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)是通過后掠前翼與前掠后翼兩部分聯(lián)接組成。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)強度大、穩(wěn)定，飛行器框架結(jié)構(gòu)小，更靈活，且飛行速度快；其缺點是在結(jié)構(gòu)、氣動彈性、控制方面存在耦合，情況復雜，在控制律設(shè)計方面難度較大。

圖1 柔性飛行器常見的三種翼型

圖1（c）是柔性飛翼飛行器［3］，當前柔性飛行器大多采用這種布局。其優(yōu)點是飛行器重量小，飛行時受到阻力更小，而且飛行器升力面大，飛行時獲得的升力更大。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；其缺點是飛行器縱向穩(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)與氣動彈性的耦合性更強，會隨著有效載荷的變化而產(chǎn)生大變形。

南昌航空大學的徐江鋒［4］通過對柔性飛行器機翼部分建立三維模型，并通過軟件CFX對模型進行分析，最后針對機翼的彎曲變形部分進行優(yōu)化設(shè)計，提出了一種可以減少柔性飛行器機翼受氣動載荷影響的方案。北京航空航天大學的馬鐵林［5］通過從流體力學以及結(jié)構(gòu)力學兩個方面求解柔性飛行器的氣動特性，通過該方法求解發(fā)現(xiàn)機翼受到載荷影響變形之后，升阻比減小，氣動性影響減弱。

本文著重于地面振動測試的后處理算法，采用一種新型的CFDD估計模態(tài)頻率和振動模式的形狀，并通過正交響應(yīng)法加以驗證。這是建立在明尼蘇達大學（UMN）無人飛行器實驗室［6～7］以前的工作基礎(chǔ)上的，其中的地面振動實驗（GVT）是在洛克希德·馬丁公司和空軍研究實驗室開發(fā)的機身自由顫振飛行器［8］上進行的。相關(guān)的實驗（飛行和地面測試）數(shù)據(jù)、數(shù)學模型和飛行軟件可在PAAW網(wǎng)站上免費獲得。

2 “mAEWing1”號飛行器

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)計和建造了兩種不同的機體和三種不同柔性的機翼。這架飛行器采用模塊化設(shè)計，機翼和機體可以分開，可以互換使用。機翼有一個矩形翼梁作為主要的載荷構(gòu)件。通過用泡沫包裹支撐結(jié)構(gòu)來獲得空氣動力學形狀。有關(guān)這些飛機的設(shè)計，建造和測試的更多詳細信息，請參見文獻［9］。

圖2 “mAEWing1”號飛行器

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個網(wǎng)格點位置進行了10組GVT分析，目標頻率范圍設(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

為了更加細致地觀察到噪聲對模式形狀估計的影響，進行了第二次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?？梢钥闯?，傳導具有較低目標頻率范圍的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。力傳感器通過熱熔膠安裝在飛機上，與模型A使用粘土底座相比，熱熔膠底座更加堅硬。因此，力傳遞更有效，力測量中的噪音更小，測得的數(shù)據(jù)更加準確。

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

表2 模型B的模態(tài)頻率

使用CFDD識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，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

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無人機實驗室在mAEWing1系列飛行器上進行的GVT數(shù)據(jù)進行模態(tài)分析。將通過CFDD所得模態(tài)頻率與通過正交響應(yīng)法得出的模態(tài)頻率進行對比，發(fā)現(xiàn)兩種方法在對稱模態(tài)中分析結(jié)果相似，而CFDD還適用于非對稱、扭轉(zhuǎn)等多種模態(tài)。最后本文以動畫形式展現(xiàn)出飛行器的模態(tài)形狀。