機翼顫振
關注創建者：tianlan0215 創建時間：2017-02-20
機翼顫振的實例教程
機翼顫振風洞實驗與飛行試驗錄像
飛機機翼尺寸通常較大、剛度有限，飛行中受外力擾動可能產生彈性彎曲變形。由于機翼上氣動力及作用點的變化、機翼扭心和重心位置不同，機翼會產生扭轉變形。當舵面（如副翼）操縱機構存在縫隙或松弛時舵面會發生偏轉。因此機翼存在兩種典型的耦合變形，即彎曲/扭轉變形和彎曲/舵面偏轉變形。這些變形和運動不僅對應著機翼結構彈性力和慣性力的變化而且會產生附加氣動力的變化。相應地，一定速度下機翼彈性力、慣性力和氣動力等耦合作用而形成的振幅不衰減的自激振動也包含了兩種典型的顫振，即彎曲/扭轉顫振和彎曲/舵面偏轉顫振。
以下將討論彎曲/扭轉顫振以及彎曲/舵面偏轉顫振產生的機理及其抑制方法。
3. 機翼彎曲/扭轉顫振機理及其抑制
圖4是機翼彎曲/扭轉顫振原理圖[2]，翼型代表機翼翼端某翼剖面，其中空心圓圈、叉號和實心圓圈分別代表機翼的焦點、剛心（扭心）和重心，假設重心位于剛心之后，如圖所示。
圖4. 機翼彎曲/扭轉顫振原理
假設擾動前翼剖面位于位置2，擾動去除后其位于位置0，此后翼剖面在機翼彈性力作用下向上運動(位置0-4)。由于翼型重心處作用的慣性力Fi靠后，從位置0-4翼型形成順時針扭轉角，翼型迎角始終為正，產生的附加升力始終向上并有加大扭轉的趨勢，該氣動力與振動方向一致是激振力，且該激振力隨速度平方增加。另一方面，翼型從位置0-4向上運動時，相對速度向下傾斜使有效迎角減小，形成向下的負升力，此力與機翼振動方向相反是減振力，且該力隨速度一次方增加。位置4-8的向下振動過程與此類似，也存在上述激振力和減振力。由于隨速度增加氣動激振力比氣動減振力增加得更快，一旦速度達到或超過某臨界值就會發生顫振甚至造成結構破壞。圖4(c)將彎曲和扭轉變形與飛行距離結合顯示了其臨界顫振過程。
展開 a 彎曲位移和氣動力同相位
b 氣動力落后于彎曲位移π/2
圖1 機翼從氣流中吸取能量示意圖
機翼上典型的彎扭顫振的機理
機翼因初始干擾而偏離平衡位置后，由于彈性恢復力作用機翼以加速度a向平衡位置移動，這一加速度使機翼質量m產生慣性力N=ma，它作用在重心上，方向和加速度相反。因機翼的重心在扭心（見彎心）之后，所以N產生對扭心的力矩，它使機翼在彎曲振動的同時產生扭轉振動。
當機翼受到迎面氣流的作用而作彎扭振動時，翼面上主要產生兩種附加的氣動力：
1. 由于機翼扭轉了θ角，攻角也改變了θ角，這使翼面舉力改變了ΔLθ，它的方向和機翼運動方向相同。因此，附加舉力ΔLθ是促進機翼振動的激振力。這個由θ而產生的附加舉力可用公式表示為：
式中，為翼面的舉力系數曲線斜率；ρ為空氣密度；v為飛行速度；S為翼面面積。公式表明，ΔLθ與飛行速度v的平方成正比。
2. 機翼在彎曲振動過程中，有附加的垂直運動速度ω。這樣，相對氣流速度vr為來流速度v和ω的矢量和，即vr=v+ω（圖2），結果攻角改變了Δα，相應地，舉力也改變ΔLa。這一個附加舉力總是和機翼彎曲運動的方向相反。因此，ΔLa是減振力。因攻角改變而產生的附加舉力為：
即ΔLa與飛行速度u成正比。由此可作出ΔLθ和ΔLa隨v而增長的曲線（圖3）。如圖所示，在速度范圍Ⅰ內，減振力大于激振力，因此，機翼的振動是衰減的；在速度范圍Ⅱ內，激振力大于減振力，氣動能量使機翼振幅不斷擴大，發生顫振。兩速度范圍的分界點就是顫振速度v。事實上，飛機顫振不只限于彎扭顫振，還有很多其他類型的顫振，例如機翼彎曲和副翼偏轉型顫振。對顫振的精確分析要借助于較完善的氣動力公式。
展開 a 彎曲位移和氣動力同相位
b 氣動力落后于彎曲位移π/2
圖1 機翼從氣流中吸取能量示意圖
機翼上典型的彎扭顫振的機理
機翼因初始干擾而偏離平衡位置后，由于彈性恢復力作用機翼以加速度a向平衡位置移動，這一加速度使機翼質量m產生慣性力N=ma，它作用在重心上，方向和加速度相反。因機翼的重心在扭心（見彎心）之后，所以N產生對扭心的力矩，它使機翼在彎曲振動的同時產生扭轉振動。
當機翼受到迎面氣流的作用而作彎扭振動時，翼面上主要產生兩種附加的氣動力：
1. 由于機翼扭轉了θ角，攻角也改變了θ角，這使翼面舉力改變了ΔLθ，它的方向和機翼運動方向相同。因此，附加舉力ΔLθ是促進機翼振動的激振力。這個由θ而產生的附加舉力可用公式表示為：
式中，為翼面的舉力系數曲線斜率；ρ為空氣密度；v為飛行速度；S為翼面面積。公式表明，ΔLθ與飛行速度v的平方成正比。
2. 機翼在彎曲振動過程中，有附加的垂直運動速度ω。這樣，相對氣流速度vr為來流速度v和ω的矢量和，即vr=v+ω（圖2），結果攻角改變了Δα，相應地，舉力也改變ΔLa。這一個附加舉力總是和機翼彎曲運動的方向相反。因此，ΔLa是減振力。因攻角改變而產生的附加舉力為：
即ΔLa與飛行速度u成正比。由此可作出ΔLθ和ΔLa隨v而增長的曲線（圖3）。如圖所示，在速度范圍Ⅰ內，減振力大于激振力，因此，機翼的振動是衰減的；在速度范圍Ⅱ內，激振力大于減振力，氣動能量使機翼振幅不斷擴大，發生顫振。兩速度范圍的分界點就是顫振速度v。事實上，飛機顫振不只限于彎扭顫振，還有很多其他類型的顫振，例如機翼彎曲和副翼偏轉型顫振。對顫振的精確分析要借助于較完善的氣動力公式。
展開 以一個大展弦比機翼的標準模型作為研究對象，對于機翼根部固支情況的結構進行模態測量并與有限元模型的固有振動模態數值計算結果進行對比，利用試驗所得模態參數，對結構有限元模型作出相應調整。利用調整后的模型進行氣動彈性顫振分析
機翼振動模態試驗與顫振分析.pdf
流-熱-固多場耦合工程實例模型計算原理與數值模擬方法
14個實例模型課程中人手一機操作指導
案例01：電路板芯片發熱的熱應力計算
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案例12：強迫對流雙向流-熱耦合散熱計算
案例13：閥門開啟過程的雙向流固耦合
案例14：罐車制動過程液體沖擊力的流固耦合計算
課程差異化
1、專注CAE仿真計算，13年大量的工程案例積累
2、6000多學員反饋、提煉的精選內容與實例，形成的版權課程體系
3、有自己的超算中心，有豐富的項目案例庫
主講專家
首席專家，力學博士，17年的軟件工程應用經驗；長期從事有限元領域國家重大項目研究，獲得專利11項，開發軟件4項，具有資深的技術底蘊和專業背景；擅長靜力學，模態分析，隨機振動/譜分析，瞬態動力學時程分析，轉子動力學分析、線性/非線性后屈曲分析，斷裂力學分析，壓電分析，熱分析，顯式動力學分析，流體力學分析，多場耦合分析，ANSYS二次開發等仿真分析。善于利用ANSYS進行二次開發解決特定領域科研/工程問題。
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機翼顫振的最新內容
潛艇舵系統的顫振不同于飛機機翼顫振，飛機機翼顫振一般在速度高達100 kn以上才會產生，將引發機體劇烈振動，甚至影響正常飛行。而潛艇低航速舵只會發生不同于經典顫振的弱顫振，其不會對舵葉結構和系統造成破壞，但會激發水動力噪聲[12]。
顫動模式通常包括：
機翼彎曲扭轉顫振
機翼前緣顫振
尾翼顫振
控制表面顫動
螺旋槳旋轉顫動
可以使用有限元法 (FEM)或計算流體動力學 (CFD) 等方法對飛機設計的這些組件進行預測和分析。
隨著高速運動的發展，自振理論又應用于如何防止汽車車輪的跳動，飛機機翼的顫振，機床的自振等方面。又如，參數振動的研究既是古老的課題，也是當代科學的前沿。在航天器中，液體燃料自由面的振蕩是一種參數振動，而這種振動對飛行的影響是前沿課題。對圓柱形容器中的液面，在上、下鉛直振動時發生的參數振動，早在1831年法拉第就研究過，現在卻成了熱極一時的混沌現象的例子。
于是人類設計師嘗試著在一些特別容易發生顫振的飛機的機翼前端加上一個和蜻蜓翼眼類似的負重結構，這樣就解決了一部分機型的顫振問題。
當然，也并不是所有的機翼顫振問題都能夠通過這種方式來解決，其他機型的問題還需要在之后的改進設計中繼續研究。說不定，今后我們還能夠從蜻蜓的身上找到更多的能夠幫助我們社會進步的知識，這正是大自然的神奇之處。
[17] 鄒叢青，陳桂彬.機翼/外掛顫振主動抑制的控制律研究[J].力學學報，1991，23(3):274-282.
[18] 宗捷，鄒叢青，孫慶民.氣動彈性系統的陣風減緩與顫振主動抑制[J].飛行力學，1995(4):76-82.
[19] 吳志剛，楊超.主動氣動彈性機翼的顫振主動抑制與陣風減緩研究[J].機械強度，2003，25(1):32-35.
.劉湘寧等[103]以顫振臨界速度作為目標函數,建立了非線性氣動彈性模型，研究了兩種不同截面的復合材料機翼顫振速度與鋪層角的關系.使用罰函數內點法和導數優化方法變尺度結合求解，進行氣動彈性剪裁優化，優化后的機翼顫振速度提高了22.77%.
3.3 復合材料機翼/機身結構設計
長航時無人機的結構設計主要包括機翼、尾翼、機身、發動機吊艙和起落架等機體結構設計和操縱系統設計.結構設計方案需要根據結構使用條件
機翼彎曲/扭轉顫振機理及其抑制
圖4是機翼彎曲/扭轉顫振原理圖[2]，翼型代表機翼翼端某翼剖面，其中空心圓圈、叉號和實心圓圈分別代表機翼的焦點、剛心（扭心）和重心，假設重心位于剛心之后，如圖所示。
圖4. 機翼彎曲/扭轉顫振原理
假設擾動前翼剖面位于位置2，擾動去除后其位于位置0，此后翼剖面在機翼彈性力作用下向上運動(位置0-4)。
絕招一出必收斂（絕招）
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工程案例-2：發電風車（風機）的雙向流固耦合計算
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1、結構氣動彈性的概念
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3、結構氣動彈性計算原理
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工程案例-1：飛機機翼的顫振計算
人們由此得到啟發，于是一項防止機翼顫振的發明問世了，即在飛機的機翼盡端的前緣部位，操作面上，設置一個加重裝置，有害的機翼振動便消除了（圖7）。這項發明不僅用在飛機的機翼上，還可以用于消除風力發電機葉片的振顫。
事實上，飛機顫振不只限于彎扭顫振，還有很多其他類型的顫振，例如機翼彎曲和副翼偏轉型顫振。對顫振的精確分析要借助于較完善的氣動力公式。
