[发明专利]运输类飞机货物空投时机翼结构载荷的确定方法

摘要

本发明属于飞机飞行载荷设计技术领域，涉及对运输类飞机货物空投时机翼结构载荷确定方法的改进。其特征在于，确定机翼结构载荷的步骤如下：飞机空投货物参数初始化；飞机有限元模态分析；飞机非定常气动力系数矩阵计算；飞机空投货物动响应计算；计算机翼结构载荷动响应；确定空投时机翼结构的设计载荷。本发明提供了一种改进的运输类飞机货物空投时机翼结构载荷的确定方法，提高了机翼结构载荷的确定精度，保证了机翼结构的安全性和飞机的飞行安全。

主权项

1.运输类飞机货物空投时机翼结构载荷的确定方法，其特征在于，确定机翼结构载荷的步骤如下：1.1、飞机空投货物参数初始化：依据国军标GJB67.2A-2008中的空投阵风准则进行飞机空投货物参数初始化，需要初始化的空投货物参数为：输入飞机的有限元模型FEM、飞机的质量m_a、飞机飞行高度H、飞机飞行速度V、平均气动弦长c、货物的质量m_b、货物在飞机货舱内的初始装载位置x₀、货物的转动惯量I_by、货物在货舱内运动的加速度a_b、模态数目k、离散阵风强度u_w、离散阵风尺度L_w；1.2、飞机有限元模态分析:以上述飞机的有限元模型FEM、模态数目k为控制参数，采用Nastran软件对飞机的有限元模型FEM进行模态分析，得到飞机的模态矩阵Φ、每阶模态的振动圆频率、广义质量矩阵M_qq和广义刚度矩阵K_qq，模态矩阵Φ包含飞机的刚体运动模态和弹性振动模态；1.3、飞机非定常气动力系数矩阵计算：以上述模态矩阵Φ、飞机飞行高度H、飞机飞行速度V、平均气动弦长c、离散阵风强度u_w和离散阵风尺度L_w为输入变量进行时域非定常气动力系数矩阵计算，采用亚音速偶极子格网法进行计算得到结构振动引起的非定常气动力系数矩阵Q_a，采用阵风混合建模方法进行计算得到阵风引起的激励力系数矩阵Q_w；1.4、飞机空投货物动响应计算：1.4.1、重构弹性飞机货物空投动响应微分矩阵方程:在步骤1.1的12个参数、步骤1.2的模态矩阵Φ、每阶模态的振动圆频率、广义质量矩阵M_qq和广义刚度矩阵K_qq和步骤1.3的结构振动引起的非定常气动力系数矩阵Q_a及阵风引起的激励力系数矩阵Q_w的基础上，重构弹性飞机货物空投动响应微分矩阵方程：(Mqq+ΦbzTmbΦbz)ξ··+[(∂Φbz∂x)TmbVb2aΦbz+ΦbzTmbVb2a∂Φbz∂x]ξ·+Kqqξ=Qaξ+Qwuw-ma0g-ΦbzTmbg---(1)]]>其中，ξ为对应于模态矩阵Φ的广义坐标位移，包含对应于飞机的刚体运动模态的广义坐标位移和弹性振动模态的广义坐标位移；为对应于模态矩阵Φ的广义坐标速度，包含对应于飞机的刚体运动模态的广义坐标速度和弹性振动模态的广义坐标速度；为对应于模态矩阵Φ的广义坐标加速度，包含对应于飞机的刚体运动模态的广义坐标加速度和弹性振动模态的广义坐标加速度；Φ_bz为货物所处位置处的飞机模态矩阵分量；V_b2a为货物在货舱内相对飞机的运动速度，通过对货物在货舱内运动的加速度a_b的一次积分可以得到；x为货物在货舱内的移动距离，通过对货物在货舱内运动的加速度a_b的两次积分可以得到；Q_aξ为飞机的结构振动引起的非定常气动力；Q_wu_w为阵风引起的激励力；g为重力加速度；ma0]]>为一个长度为k的列向量；为利用Runge-Kutta法求解微分矩阵方程，将式(1)整理成一阶微分矩阵方程：x·ae=Aaexae+Bawuw+Bagmbg---(2)]]>其中，A_ae为弹性飞机本体与非定常气动力组成系统的状态矩阵；B_aw为离散阵风对弹性飞机动响应的扰动矩阵；B_ag为由于货物移动对飞机产生作用力的扰动矩阵；u_w为离散阵风强度；x_ae为状态矢量：xae=xaξξ·---(3)]]>其中，x_a为非定常气动力的滞后根项目，模拟从飞机翼面上脱落的涡;1.4.2、求解飞机1g平飞时的广义坐标位移ξ^Trim:飞机1g平飞时满足以下条件：1.4.2.1、广义坐标加速度和广义坐标速度均为零向量；1.4.2.2、货物相对飞机运动速度和位移均为0；1.4.2.3、无离散阵风激励力；根据上述条件，飞机1g平飞时的广义坐标位移ξ^Trim的计算如公式(4)所示：ξTrim=-(Kqq-Qa)-1(ma0+Φbz0Tmb)g---(4)]]>其中，Φ_bz0为货物在货舱内初始装载位置处的飞机的模态矩阵分量；1.4.3、求解飞机货物空投动响应微分矩阵方程:以飞机1g平飞时的广义坐标位移ξ^Trim为公式(2)的初始求解条件，采用变步长Runge-Kutta法求解飞机货物空投动响应微分矩阵方程，得到飞机的广义坐标位移ξ的动响应、广义坐标速度的动响应和广义坐标加速度的动响应:yae=ξξ·ξ··=Caexae+Dawuw+Dagmbg---(5)]]>其中，C_ae为弹性飞机本体与非定常气动力组成系统的输出矩阵；D_aw为离散阵风对弹性飞机动响应输出的传递矩阵；D_ag为由于货物移动对飞机动响应输出的传递矩阵；1.5、计算机翼结构载荷动响应:根据步骤1.4的广义坐标位移ξ的动响应，采用节点刚度矩阵方法计算机翼结构载荷动响应F_wing(t)，计算公式如式(6)所示：F_wing(t)=T_wingξ  (6)其中，T_wing为从模态广义坐标位移到机翼根部单元梁的载荷变换矩阵；1.6、确定空投时机翼结构的设计载荷：根据步骤1.5中得到的机翼结构载荷动响应F_wing(t)，采用包线筛选方法确定机翼结构的空投设计载荷。