[发明专利]一种基于结构降阶模型的非线性气动弹性动响应分析方法

说明书

本发明属于结构动力学和气动弹性力学分析领域，特别涉及一种基于结构降阶模型的非线性气动弹性动响应分析方法。本方法采用对输入测试载荷及其对应结构变形进行回归分析的方法求解给定形式的结构非线性刚度系数，利用非线性刚度系数构建大变形结构动力学方程，在此基础上利用模态组合乘比例系数的方式构建测试载荷，通过构建位移残量基函数准确恢复机翼展向位移；最后结合结构降阶模型给出的动力学方程及非定常曲面涡格法搭建几何非线性气动弹性阵风响应求解流程。本发明兼顾求解精度、计算效率与复杂模型适用性，可应用于航空航天类飞行器几何非线性气动弹性阵风响应分析计算。

技术领域

本发明属于结构动力学和气动弹性力学分析领域，特别涉及一种基于结构降阶模型的非线性气动弹性动响应分析方法。

背景技术

气动弹性力学作为应用力学的分支，主要研究气动力、弹性力与惯性力之间耦合的问题。在气动力作用下弹性结构发生振动与变形，结构弹性运动反过来又会导致气动力的大小及分布发生变化，这种相互作用会带来多种多样的气动弹性现象，包括气动弹性变形、颤振、阵风响应等。在有动力飞行的历史发展进程中，气动弹性现象扮演了重要角色，是保证飞行器安全、提高飞行器飞行性能所必须考虑的关键因素。

现代飞行器设计对于飞行性能的要求不断提高，以高空长航时无人机、飞翼布局无人机为代表的大柔性飞行器，自20世纪90年代以来逐渐成为各航空大国的研究重点。该类飞行器能够以更灵活的方式不间断的执行诸如军事侦察、民用科学探索及通信中继等任务，具有远超传统飞行器的飞行高度及续航能力，具有广阔的应用前景。由于其飞行性能的要求，大柔性飞行器通常利用较大的机翼展弦比来提高升阻比，同时在结构设计汇总增加复合材料比例。然而这些因素会导致这类大柔性飞行器相对结构重量低、柔性大，气动力加载引起的结构变形较大，带来几何非线性气动弹性问题。

当飞行器结构变形较大或结构上加载了较大的初始载荷时，结构动力学特性按非线性关系依赖于结构瞬时变形及应力状态。在力学机理上表现为结构应变与位移呈现非线性关系、受力平衡呈现非线性关系，而应力与应变的本构关系依然是线性的。在气动弹性分析中，考虑几何非线性因素后，气动弹性问题即成为几何非线性气动弹性问题。此时，线性小变形假设不再适用。一方面，大变形下其气动力分布情况与线性有明显不同；另一方面，结构动力学特性也会随着结构变形及载荷的改变而发生变化。这两方面特性导致几何非线性因素对于气动弹性分析具有重要影响，成为制约大柔性飞行器设计的关键问题。阵风响应问题是气动弹性分析中的重要问题。阵风不仅会激起飞机的刚体运动，还会激发结构的弹性振动，由此产生的动态响应会降低飞机的飞行品质，影响驾驶员操纵，甚至引发安全事故，直接影响飞行安全和飞行包线范围。而大柔性飞机由于其自身的特点使得其对于阵风扰动更加敏感。