1 第第4 4章章 飞机气动弹性力学飞机气动弹性力学 2 刚度与气动弹性设计刚度与气动弹性设计 1 1 飞机结构的刚度要求飞机结构的刚度要求 主导思想主导思想：：受飞机布局设计所确定的气动特性（升阻特受飞机布局设计所确定的气动特性（升阻特 性、力矩特性）及飞行性能要求，必须使飞性、力矩特性）及飞行性能要求，必须使飞 机的刚度条件满足飞行总体技术性能；在气机的刚度条件满足飞行总体技术性能；在气 流复杂作用下结构不允许由于刚度不足带来流复杂作用下结构不允许由于刚度不足带来 的不安全或较大损伤积累的行为的不安全或较大损伤积累的行为 3 飞机结构的各个构件实际都有刚度要求，只是与强度问题飞机结构的各个构件实际都有刚度要求，只是与强度问题 综合考虑时，对一些构件以强度或稳定性为主设计（在满足综合考虑时，对一些构件以强度或稳定性为主设计（在满足 强度、稳定性的同时，刚度条件够了如飞机的主要受力构件：强度、稳定性的同时，刚度条件够了如飞机的主要受力构件： 机翼的壁板、梁、加强肋等）；机翼的壁板、梁、加强肋等）； 1 ））静刚度特性要求（变形量控制要求）静刚度特性要求（变形量控制要求） 对一些构件（部位）以刚度设计为主（强度裕度很大，如对一些构件（部位）以刚度设计为主（强度裕度很大，如 飞机的舱门、大开口部位、操纵系统的支座、舵面的转轴以及飞机的舱门、大开口部位、操纵系统的支座、舵面的转轴以及 机翼的总体挠度及总扭转角等形变量控制）。
机翼的总体挠度及总扭转角等形变量控制） 1 1 飞机结构的刚度要求飞机结构的刚度要求 4 机翼盒段的抗扭刚度要满足不能使其在气流扰动下发生剖面机翼盒段的抗扭刚度要满足不能使其在气流扰动下发生剖面 扭转角扩大扭转角扩大( (发散发散) )的可能；的可能； 2））静气动弹性问题对结构部件的刚度要求静气动弹性问题对结构部件的刚度要求 机翼盒段（副翼连接段）的抗扭刚度要满足不能使其在气流机翼盒段（副翼连接段）的抗扭刚度要满足不能使其在气流 扰动下发生副翼失效或反效的可能扰动下发生副翼失效或反效的可能 3）动气动弹性问题对结构部件的刚度要求）动气动弹性问题对结构部件的刚度要求 机尾翼及副翼受气流扰动条件下，在一定速度范围内不允许机尾翼及副翼受气流扰动条件下，在一定速度范围内不允许 发生颤振发散（扰动激励下的一种振动方式）发生颤振发散（扰动激励下的一种振动方式） 1 1 飞机结构的刚度要求飞机结构的刚度要求 5 飞机结构的进气道、操纵系统或某些结构部位（如平尾）飞机结构的进气道、操纵系统或某些结构部位（如平尾） 由发动机噪声振动源、紊流产生的涡流或激波脉动压力所引起由发动机噪声振动源、紊流产生的涡流或激波脉动压力所引起 的抖振（强迫振动）。
的抖振（强迫振动） 4））振动工作环境的结构部位，不应发生结构共振振动工作环境的结构部位，不应发生结构共振 飞机结构刚度设计的轶事飞机结构刚度设计的轶事 19031903年年WrightWright兄弟成功动力飞兄弟成功动力飞 行的前九天，行的前九天，smithsonian smithsonian 学学 院的院的LangleyLangley教授在教授在PotomacPotomac河河 畔进行动力飞行失败了，机翼畔进行动力飞行失败了，机翼 的扭转刚度过小所致的扭转刚度过小所致 1 1 飞机结构的刚度要求飞机结构的刚度要求 6 飞机结构刚度设计的一般方法与步骤飞机结构刚度设计的一般方法与步骤 参照已往设计经验或统计数据，进行构件及连接设计；在此基参照已往设计经验或统计数据，进行构件及连接设计；在此基 础上，进行结构刚度在静力条件下的精细计算校核或实验验证；础上，进行结构刚度在静力条件下的精细计算校核或实验验证； 以结构重量为目标，以刚度条件为约束，进行结构构件参数优以结构重量为目标，以刚度条件为约束，进行结构构件参数优 化或构件布置（位置）优化设计；化或构件布置（位置）优化设计； 结构部件在模拟连接条件下的固有频率和振动模态数值计算分结构部件在模拟连接条件下的固有频率和振动模态数值计算分 析与实验；析与实验； 结构部件在飞行包线上的气动弹性精确数值计算，确定颤振临结构部件在飞行包线上的气动弹性精确数值计算，确定颤振临 界速度；界速度； 全机共振实验（扫频仪、激振点）；全机共振实验（扫频仪、激振点）； 试飞测试。
试飞测试 1 1 飞机结构的刚度要求飞机结构的刚度要求 7 2 飞机结构的气动弹性设计原理飞机结构的气动弹性设计原理 弹性力弹性力 质量力质量力 气动力气动力 焦心焦心 刚刚 心心 重重 心心 气动弹性问题的基本概念气动弹性问题的基本概念 1 1）飞机结构上的三种力、三个心）飞机结构上的三种力、三个心 8 2 2））静气动弹性与动气动弹性问题的区别静气动弹性与动气动弹性问题的区别 静气弹仅关心气动力（或由于扰动及着陆引起的气动力增静气弹仅关心气动力（或由于扰动及着陆引起的气动力增 量）与升力面结构刚度（弹性力）之间的耦合作用，而不量）与升力面结构刚度（弹性力）之间的耦合作用，而不 考虑结构质量力在其中的作用考虑结构质量力在其中的作用一般有两类：一般有两类： 机翼扭转扩大（形变发散）问题机翼扭转扩大（形变发散）问题 副翼反效（操纵效能）问题副翼反效（操纵效能）问题 动气动弹性则关心气动力扰动激励作用下，由气动增量力、结动气动弹性则关心气动力扰动激励作用下，由气动增量力、结 构刚度以及质量力三者交互作用时，能否产生自激振动的发散构刚度以及质量力三者交互作用时，能否产生自激振动的发散 （振幅扩大）。
这种自激振动与飞机飞行速度相关，因而是一（振幅扩大）这种自激振动与飞机飞行速度相关，因而是一 个飞行性能与安全的问题个飞行性能与安全的问题 9 3 3 静气动弹性问题的力学成因及设计措施静气动弹性问题的力学成因及设计措施 1 1））静气动弹性问题中的扭转扩大静气动弹性问题中的扭转扩大 ΔY 亚音速中严重亚音速中严重 气流扰动气流扰动( (ΔY) )扰刚心产生扭转力矩扰刚心产生扭转力矩Mα=ΔYda ；； （（与飞行速度的平方成正比与飞行速度的平方成正比）） 盒段弹性将提供反作用力矩抗衡该升力增量力矩盒段弹性将提供反作用力矩抗衡该升力增量力矩Mk 刚度较小，刚度较小，Mα Mk ( (扭角扩大，气动力矩扭角扩大，气动力矩 ，变形发散，变形发散);); 10 超音速时压心及焦点后移，在扰动作用下，扭转扩大一般超音速时压心及焦点后移，在扰动作用下，扭转扩大一般 不会出现不会出现 ; 前掠机翼的扭转扩大比后掠翼尤为严重；前掠机翼的扭转扩大比后掠翼尤为严重； 存在一个飞行的临界速度存在一个飞行的临界速度 3 3 静气动弹性问题的力学成因及设计措施静气动弹性问题的力学成因及设计措施 1 1））静气动弹性问题中的扭转扩大静气动弹性问题中的扭转扩大 11 2 2））静气动弹性问题中副翼反效静气动弹性问题中副翼反效 ΔYa ΔYk 副翼偏转副翼偏转产生向上升力产生向上升力ΔYa（在刚心之后），这使结构剖面（在刚心之后），这使结构剖面 低头扭转，导致结构剖面迎角降低低头扭转，导致结构剖面迎角降低;反过来这又产生了向下的反过来这又产生了向下的 升力升力ΔYk,来抵消副翼偏转产生的升力；来抵消副翼偏转产生的升力； 可近似认为操纵力不变，显然也存在一个临界速度；可近似认为操纵力不变，显然也存在一个临界速度； 对大展弦比后掠翼，副翼连接段刚度问题较突出（扭转刚度对大展弦比后掠翼，副翼连接段刚度问题较突出（扭转刚度 与展长成反比）。
与展长成反比） 3 3 静气动弹性问题的力学成因及设计措施静气动弹性问题的力学成因及设计措施 12 3 3））静气动弹性的刚度设计措施静气动弹性的刚度设计措施 提高升力面结构剖面的扭转刚度或刚心前移提高升力面结构剖面的扭转刚度或刚心前移, ,对任何机翼对任何机翼 受重量约束不能无限制；受重量约束不能无限制； 适当提高升力面结构剖面的抗弯刚度（不至于引起展向气适当提高升力面结构剖面的抗弯刚度（不至于引起展向气 动力分布的额外变化，对后掠翼重要）；动力分布的额外变化，对后掠翼重要）； 对大展弦比后掠翼高速时，可改用内对大展弦比后掠翼高速时，可改用内 副翼或增加扰流片（大飞机常用，用副翼或增加扰流片（大飞机常用，用 于改善气动力分布，使焦点后移）；于改善气动力分布，使焦点后移）； 复合材料气动剪裁优化设计（弯扭耦合，复合材料气动剪裁优化设计（弯扭耦合， 对前掠机翼必需，对其他机翼也有减小结构重量的作用）对前掠机翼必需，对其他机翼也有减小结构重量的作用） 3 3 静气动弹性问题的力学成因及设计措施静气动弹性问题的力学成因及设计措施 13 4 4 动气动弹性问题的力学成因及设计措施动气动弹性问题的力学成因及设计措施 1 1））机翼弹性弯扭变形耦合导致的颤振机翼弹性弯扭变形耦合导致的颤振 14 2 0 2 y V YCS α ρ θ∆=∆ u Δα V0 α+Δα 气动力增量与飞行速度平方成正比气动力增量与飞行速度平方成正比 阻尼力与飞行速度成线性关系阻尼力与飞行速度成线性关系 2 0 0 2 dy Vu YCS V α ρ ∆= 颤振中的力作功曲线颤振中的力作功曲线 4 4 动气动弹性问题的力学成因及设计措施动气动弹性问题的力学成因及设计措施 1 1））机翼弹性弯扭变形耦合导致的颤振机翼弹性弯扭变形耦合导致的颤振 颤阵临界速度的粗定量公式颤阵临界速度的粗定量公式 2 cr y GJ b V SC ρ α π γ = γ 为焦点到重心的距离为焦点到重心的距离；； b 为弦长为弦长。
15 2 2）副翼弯曲颤振的力学成因）副翼弯曲颤振的力学成因 4 4 动气动弹性问题的力学成因及设计措施动气动弹性问题的力学成因及设计措施 副翼颤振为副翼的周期性刚体运动，仍有激振力与阻尼力，故也副翼颤振为副翼的周期性刚体运动，仍有激振力与阻尼力，故也 存在振动发散或收敛问题，以及颤振临界速度存在振动发散或收敛问题，以及颤振临界速度 16 3 3）抗颤振设计措施）抗颤振设计措施 提高机翼的抗弯、抗扭刚度，不能无限制；提高机翼的抗弯、抗扭刚度，不能无限制； 重心前移，减小重心到刚心距离（加配重，翼尖重心前移，减小重心到刚心距离（加配重，翼尖/ /副翼前缘）；副翼前缘）； 操纵系统中加装颤振阻尼器（消耗颤振能量，对副翼有效操纵系统中加装颤振阻尼器（消耗颤振能量，对副翼有效）；）； 复合材料结构的复合材料结构的弹性气动剪裁设计（弯扭耦合设计）；弹性气动剪裁设计（弯扭耦合设计）； 主动控制技术（主动阻尼控制方法，通过感测机翼弯曲运动主动控制技术（主动阻尼控制方法，通过感测机翼弯曲运动 的速度，控制操纵副翼或直接升力面）的速度，控制操纵副翼或直接升力面） 4 4 动气动弹性问题的力学成因及设计措施动气动弹性问题的力学成因及设计措施 17 5 5 气动弹性方框图气动弹性方框图 机翼机翼 迎角迎角α 升力升力Y 刚性机翼空气刚性机翼空气 动力方框图动力方框图 刚性机翼刚性机翼 升力升力Y 扭矩扭矩 作为弹性系统作为弹性系统 机翼机翼 迎角迎角α α+θ 扭角扭角 θ 弹性机翼空气弹性机翼空气 动力方框图动力方框图 18 空气动力学空气动力学 5 5 气动弹性方框图气动弹性方框图 突风突风G 质量惯性质量惯性 弹性系统弹性系统 变形变形 θ θ θ θ Y+I 空气动力空气动力Y 惯性力惯性力I 弹性机翼的突弹性机翼的突 风响应风响应 19 6 6 气。