[发明专利]一种基于广义气动力的非定常气动力降阶方法

说明书

本发明提出一种基于广义气动力的非定常气动力降阶方法，首先通过坐标变换将模态坐标下的广义气动力转换为物理坐标下结构有限元模型全部节点上分布的非定常气动力，然后通过曲面样条插值将分布的非定常气动力进行降阶，等效集中到有限个加载点处从而获得频域气动力降阶模型，最后使用最小状态法将频域降阶气动力模型拟合到时域。本发明在尽量减少降阶气动力模型阶数的基础上，提高了降阶气动力模型的精度，从而降低了地面颤振模拟试验中激振力控制系统设计的难度，其次借助CFD跨声速非定常气动力计算方法，该降阶方法可用于跨音速颤振分析中。

技术领域

本发明设计属于飞行器气动弹性试验技术领域，具体为一种基于广义气动力的非定常气动力降阶方法。

背景技术

颤振是结构在气动力、弹性力和惯性力耦合作用下，发生的一种振幅不衰减的自激振动。目前，研究飞行器结构颤振问题的主要途径为理论计算和颤振试验。

理论计算虽然节省时间和经费，但是建立分析对象的数学模型时，在结构、气动力等方面需要引入一些假设，这些假设可能与真实情况有较大的偏差。

颤振试验分为风洞颤振试验和飞行颤振试验：风洞颤振试验直接考虑气动力的作用，但要对试验模型进行缩比设计，难以完全模拟实物，费用高且有一定风险；飞行颤振试验可以完全考虑试验对象的真实工作环境，但受试验条件的限制，难以获得准确的颤振边界，且费用昂贵、风险大。

地面颤振模拟试验则是一种新兴的颤振试验研究方法，它采用真实的飞行器结构作为试验对象，通过激振器产生的激振力来模拟结构在给定速度下受到的非定常气动力，在地面(风洞外)可以获得真实结构的气动弹性特性。在用激振器进行气动力模拟加载时，由于实际加载到结构上的气动力是通过数量有限的激振器加载的，所以在建立用于地面颤振模拟试验的气动力计算模块时，需要进行两个重要的步骤：

1)将气动面上分布的气动力进行降阶处理，从而利用有限点上的激励力来等效模拟分布的气动力；

2)将计算得到的频域气动力拟合到时域。

从公开的文献中可以看出，地面颤振模拟试验中气动力降阶方法的最新研究进展是：

Zeng等在文献(ZENG J,KINGSBURY D,RITZ E,et al.GVT-based ground fluttertest without wind tunnel[C]//52nd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures,Structural Dynamics and Materials Conference 19th AIAA/ASME/AHS AdaptiveStructures Conference 13t.2011:1942.)中通过面样条插值对气动力进行降阶，在试验气动力近似上，提出了以气动力降阶前后，结构的颤振速度和颤振频率的误差最小为目标的激振点和拾振点位置优化方法，得到的气动力降阶模型的精度很好，但是使用气动力降阶后模型的颤振特性与降阶前一致作为激振点和拾振点的选取目标，与地面颤振模拟试验的初衷，即探索模型的颤振边界，有所矛盾，而且先将气动力模型拟合到时域再降阶，拟合过程会耗费大量时间。

胡巍等在文献(胡巍,杨智春,谷迎松.带操纵面机翼气动弹性地面试验仿真系统中的气动力降阶方法[J].西北工业大学学报,2013,31(5):810-815.)中对带操纵面的机翼气动力降阶问题，提出将气动力模型先进行频域降阶、再时域拟合的方法，分别确定主翼面、操纵面上激振点和拾振点的位置，从而获得气动力降阶模型。先对频域气动力影响系数矩阵A(ω)进行降阶，可以降低矩阵的维数，在此基础上再进行时域拟合，可减少拟合过程耗费的时间，提高计算效率。