[发明专利]一种飞机跨音速颤振模型的单梁及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单梁，特别是一种飞机跨音速颤振模型的单梁及其设计方法。

背景技术

颤振是飞机飞行中飞行速压超过临界值后出现的一种破坏性结构振动，它是气动力、弹性力和惯性力相互作用下的自激振动。

在跨音速区域，由于空气压缩性的影响，飞机气动力急剧变化，会使得飞机颤振速压出现明显的下降，而飞机跨音速颤振模型的风洞试验是研究飞机跨音速颤振特性变化的重要手段。

传统的跨音速颤振模型大梁设计采用实心金属梁或复合材料梁，如图1所示，传统实心梁具有设计难度小、加工工艺简单的特点，但由于实心梁的重量较大，相对于颤振模型的重量占比较高，导致颤振模型的质量特性模拟难度大，模型“密度比”较大。另外，复合材料梁虽然在重量控制上具有优势，但复合材料的离散性会导致复合材料梁的刚度模拟存在不稳定性，增大模型设计的难度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种飞机跨音速颤振模型的单梁及其设计方法，该单梁具有减小的重量，可以降低梁在模型中的重量比例，降低颤振模型设计时的“密度比”，更有利于模拟飞机跨音速颤振的危险飞行状态。

根据本发明的第一个方面，提供一种飞机跨音速颤振模型的单梁，所述单梁由多个空心梁段相互连接形成，所述空心梁段由金属材料制成，多个空心梁段的剖面沿着一个方向逐渐减小。

其中，所述空心梁段通过铆钉或螺栓相互连接。

其中，相邻的空心梁段对接面设有金属胶或复材胶膜。

其中，所述空心梁段的剖面为矩形、U字形或π形。

其中，所述空心梁段的剖面为十字矩形或双U字形。

根据本发明的另一个方面，提供一种飞机跨音速颤振模型的空心梁的设计方法，包括步骤：

1)确定飞机部件各剖面的刚度数据，根据飞机跨音速颤振模型比例尺确定模型单梁的设计剖面和各剖面的刚度；

2)根据单梁所用材料的参数，确定单梁各剖面的设计目标惯矩；

3)初步选择单梁的剖面设计形式，根据各剖面的设计目标惯矩来计算剖面尺寸；

4)根据计算得到的各剖面尺寸数据，设计出单梁；

5)评估单梁的重量及对整体颤振模型的重量占比，评估单梁的强度水平；

6)如果单梁的重量占比不合理或者强度水平达不到设计要求，更换剖面设计形式或剖面尺寸，重新设计单梁，直至单梁的重量占比和强度水平达到设计要求；

7)根据单梁的剖面形式确定单梁的连接装配方式；

8)单梁的整体连接装配。

其中，在所述步骤(3)中，计算方程数少于剖面参数数量，尺寸计算为多解，可以得到多组剖面尺寸，根据设计需要选择合适的剖面尺寸。

本发明提出的单梁设计可以克服传统模型大梁的不足，具有如下优点：

1)采用单梁可以减小梁自身的重量，从而可以降低梁在模型中的重量比例，降低颤振模型设计时的“密度比”，更有利于模拟飞机跨音速颤振的危险飞行状态；

2)采用金属材质的单梁可以保证模型刚度设计的稳定性，提高刚度设计的精度；

3)金属梁可以采用机械数控加工，加工工艺简单，加工精度高。

附图说明

图1是传统实心梁的结构示意图；

图2是根据本发明的单梁的结构示意图；

图3是单梁的十字形剖面的示意图；

图4是单梁的矩形剖面的示意图；

图5是单梁的双U字形剖面的示意图；

图6是单梁的U字形剖面的示意图；

图7是单梁的π形剖面的一种形式的示意图；

图8是单梁的π形剖面的另一种形式的示意图；

图9是单梁的π形剖面的又一种形式的示意图；

图10是空心梁段的连接形式的示意图；

图11是空心梁段的剖面肋的示意图；

图12是根据本发明的飞机跨音速颤振模型的单梁的设计方法的流程图；以及

图13示出了根据本发明的单梁的静力试验应变曲线。

具体实施方式

下面结合附图来详细描述本发明的优选实施例。应当理解，所讨论的优选实施例仅示范性地说明实施和使用本发明的特定方式，而非限制本发明的范围。

颤振模型大梁用来模拟机翼、平尾、垂尾等飞机部件的刚度，因飞机承力部件的刚度沿其展向是变化的，根据刚度相似要求，颤振模型大梁一般为变刚度变剖面尺寸大梁。由于加工工艺的局限性，变剖面尺寸的空心金属梁一次性加工无法完成，而采用分段加工后再连接的方法就能够完成。