4飞机的气动弹性力学
飞行器气动弹性力学研究
飞行器气动弹性力学研究随着人类科技的不断发展，飞行器在我们日常生活中扮演着越来越重要的角色。
然而，飞行器运行过程中所受到的气动弹性力学效应却给工程师们带来了极大的挑战。
针对这个问题，工程师们通过气动弹性力学研究，不断优化设计，实现了飞行器的日益完善。
气动弹性力学是研究飞行器表面受到气流冲击时发生变形或振动的现象和规律，包括弦向弯曲和扭转，梁向弯曲和扭曲，以及壳体的撑振和板壳弯曲等方面。
它是飞行器结构强度及振动问题的基础，对飞行器的安全性和自动控制性能有重要影响。
飞行器在飞行过程中，常常会面临复杂多变的气流环境，如高速气流、气流湍流、横向风等，这些气流将对飞行器的表面形成复杂的气动力分布，而这些气动力分布又将对飞行器的结构产生复杂的应力。
若飞行器的强度设计不足或结构刚度不足，以上的气动弹性效应将会引起飞行器的不稳定、飞行方向偏移、结构破坏等严重后果，这对于飞行器的生存和工作都是不可承受的。
气动弹性力学研究是对飞行器进行优化设计的关键。
飞行器的设计从初期的气动计算到最后的翻滚试验，都需要气动弹性力学的支持。
设计师们提出的各种模型在计算过程中需要不断优化，调整和创新。
计算机模拟气动弹性力学的方法为飞行器结构气动力学的计算、仿真和优化提供了方便。
基于气动弹性力学的正向反向传递方法、流固耦合方法和计算流体动力学等，为飞行器的设计带来了更多的选择和挑战。
对于大型飞行器，气动弹性力学分析的难点主要体现在飞行器在低速情况下所受到的气动弹性影响。
例如，大型客机从状态“悬停摆荡”，过渡到正常飞行，存在极大的困难。
因此，设计师们大部分时间都是花费在了优化低速情况下的气动弹性力学问题上。
除此之外，由于发动机的存在，飞机表面还要承受一定的热效应，而这些热效应也会影响气动力的分布，进一步影响飞行器的气动弹性力学效应。
由于发动机喷气口的高温喷气对飞行器表面有着极大的热效应，工程师们则会通过热膨胀和材料蠕变等热气动力学效应来分析和优化飞行器表面的设计。
航空气动弹性力学与飞行控制技术研究
航空气动弹性力学与飞行控制技术研究一、航空气动弹性力学的研究意义航空气动弹性力学是航空工程中的一个重要分支，它研究的是飞行器在空气动力作用下的动态响应和振动特性以及对控制策略、飞行性能的影响。
研究航空气动弹性力学的意义在于为提高飞行器的飞行安全性、效率和性能提供理论依据和技术支持，同时也为推进航空工程领域的发展和前沿研究提供了新的课题和挑战。
二、航空气动弹性力学的基本理论航空气动弹性力学的基本理论主要包括结构动力学、空气动力学、气动结构相互作用和振动控制技术等方面。
结构动力学是指研究结构响应的动态特性和振动模态，包括自由振动、强迫振动和阻尼振动等；空气动力学是指研究流体在飞行器表面产生的压力和力的作用力，其主要内容包括流场分析、升力和阻力、空气动力学力和力矩等；气动结构相互作用是指研究飞行器结构和空气动力学的相互影响和耦合关系，包括结构变形和振动对空气动力学性能的影响以及空气动力学对结构振动的影响等；振动控制技术是指研究通过控制手段对飞行器结构振动特性进行调节和控制，包括主动振动控制和被动振动控制等。
三、航空气动弹性力学在飞行控制中的应用航空气动弹性力学在飞行控制中的应用主要包括以下几个方面：1. 飞行器控制模型建立：通过研究飞行器动态响应特性和振动模态，建立精确的飞行器控制模型，为飞行控制系统的设计和优化提供理论依据和仿真工具。
2. 飞行器控制策略设计：通过研究飞行器受结构变形、气动力等因素影响的变化规律，设计出适应性更强、更稳定、更高效的控制策略，提高飞行器的飞行性能和控制精度。
3. 飞行器振动控制技术研究：通过研究振动控制技术，采用主动或被动振动控制手段，在保证飞行器性能和安全性的前提下，尽可能减小结构振动，降低飞行器的振动噪声，提高乘客舒适度和机组人员的工作效率。
4. 飞行器自适应控制：通过研究自适应控制技术，实现飞行器在不断变化的环境和负载条件下的自我调节和优化，提高飞行器的适应能力和鲁棒性，同时也为航空工程的智能化发展提供了新的思路和方向。
航空器气动弹性力学的数值模拟
航空器气动弹性力学的数值模拟航空器的气动弹性力学是航空工程中的重要分支，它研究航空器在空气力学载荷下的变形、振动和疲劳问题。
随着计算机技术的快速发展，数值模拟成为研究气动弹性力学的重要手段之一。
本文介绍航空器气动弹性力学的数值模拟方法及应用。
一、气动弹性力学模型气动弹性力学模型是研究航空器在气动载荷下的弹性变形和振动特性的数学模型。
其中气动载荷来源于空气流场和航空器表面。
一般采用弹性体力学、流体力学和控制理论相结合的方法建立模型。
建模时需要考虑气动力学、结构力学、控制理论、计算数学和计算机科学等多个学科的知识。
气动弹性力学模型可分为线性模型和非线性模型。
线性模型假设系统是线性可逆的，在小振动范围内，可以用线性微分方程描述系统的响应。
非线性模型则考虑系统的非线性特性，可以用非线性微分方程或者差分方程描述系统的响应。
二、气动弹性力学的数值模拟方法气动弹性力学的数值模拟方法主要包括计算流体力学(CFD)和有限元法(FEM)。
CFD主要研究空气流场对航空器表面的作用，是求解Navier-Stokes方程组的数值方法。
FEM则主要研究航空器表面对内部结构的作用，是求解结构力学方程的数值方法。
1. CFDCFD的求解方法可分为有限体积法、有限差分法和有限元法等。
其中有限体积法和有限差分法是求解离散点上的量值，而有限元法则是求解连续物体上的量值。
CFD求解的基本步骤包括建立几何模型、设置网格、定义流体流动和边界条件、求解数值方程、后处理结果等多个过程。
2. FEMFEM是将实体分割成小结构单元，建立有限元模型，利用有限元法求解结构的动力学响应和应力分布。
在建立有限元模型时，要考虑离散单元的选择和边界条件的定义。
建立完毕后，利用计算机进行数值计算，得到结构的位移、速度、加速度、应力、应变等时间响应结果。
三、气动弹性力学模拟的应用气动弹性力学模拟在航空器设计、优化和改进中发挥着重要作用。
其主要应用领域包括：1. 飞行器稳定性和控制性能分析通过模拟飞行器在不同机动状态下的气动载荷和弹性变形响应，可以预测飞行器的稳定性和控制性能。
4飞机的气动弹性力学
1
刚度与气动弹性设计
1 飞机结构的刚度要求
主导思想：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 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 的不安全或较大损伤积累的行为。
2
1 飞机结构的刚度要求
1 ）静刚度特性要求（变形量控制要求） 飞机结构的各个构件实际都有刚度要求，只是与强度问题
的速度，控制操纵副翼或直接升力面）
16
5 气动弹性方框图
迎角α
升力Y
机翼
刚性机翼空气 动力方框图
迎角α
α+θ
升力Y
刚性机翼
扭矩
作为弹性系统 机翼
扭角 θ
弹性机翼空气 动力方框图
17
5 气
θ
Y+I
变形
弹性系统
质量惯性 θ
惯性力I
弹性机翼的突 风响应
θ
18
6 气动弹性分类
2）静气动弹性问题对结构部件的刚度要求 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(发散)的可能；
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。
3）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
I(惯性力)
A(气动力)
I
S A
E(弹性力)
气动弹性力学三角形
T
E
气动伺服弹性力学三角形
I
A 气动热弹性力学三角形
E
19
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
气动弹性力学研究
气动弹性力学研究随着工业的发展，人类对于材料的需求也越来越多样化，这也对于工程学科提出了更高的要求。
在设计中，弹性力学一直是一个关键的科目，因为它可以帮助工程师确定物体的承载能力，以及材料的改进和设计更好的设备。
然而，随着科技的进步，气动弹性力学研究变得也越来越重要。
气动弹性是指通过气体或流体对结构体产生相应响应和动态反应的现象。
气体与流体通过不断关键的推力来推动机器进行工作，这个过程中机器会不断经受着被压缩和解压的过程，如果结构不稳定，则会被气压推开甚至失控，因此气动弹性力学在工程设计中扮演着重要角色。
气动弹性力学在空气航空工程中特别重要，因为飞机在高速飞行中会受到极大的气流力和气压力，如果不考虑这些因素则会在设计上蒙受巨大不幸。
而在高速公路，火车等运输中也需要考虑气动弹性力学，以便建造更重量级的车辆，以保证道路和运输设备在高速飞行过程中的稳定。
重点在于大型文物及建筑方面，喷泉和桥梁也需要考虑气动弹性以保持稳定。
现在，气动弹性力学有几个主要的研究方面。
第一是气体的压缩性能以及气流在机器上的造成的动力效应的研究。
第二是涡流对结构体的影响，涡流是当气体流体中出现旋转时的物理现象，它会对机器的稳定性产生影响。
第三是机器和特定环境条件下的气流相互作用及机器的相应响应。
这些研究都需要特殊的仪器和设备，以便进行测量和模拟研究。
气动弹性力学在科技领域中的发展具有重大意义。
通过加强气动弹性力学的研究，可以帮助工程师更好地设计和测试机器，从而降低安全风险，提高机器的稳定性和可靠性。
同时，通过深入研究气动弹性力学，也可以提高关键材料的性能，这对于提高制造业的效率和降低成本也具有重要意义。
总之，气动弹性力学在科技领域中的重要性毋庸置疑。
在未来，我们需要加深对气动弹性力学的研究来提高工程师的设计能力和技术，从而更好地推动工业的发展。
航空器气动弹性
航空器气动弹性引言：航空器气动弹性是指航空器在飞行过程中受到气动力的作用而产生的变形和振动现象。
它是航空器设计和性能评估中的一个重要问题，具有十分复杂的特性。
本文将从气动效应、弹性力学、振动控制等方面详细介绍航空器气动弹性的相关规范、规程和标准。
一、气动效应1.1 动压和升力动压是指气流对物体表面单位面积上的压力，是航空器气动弹性的主要驱动力。
航空器设计必须按照相关标准规定的气动参数进行飞行试验，以验证其设计质量和飞行性能。
1.2 阻力和阻尼阻力是气动力学中除升力以外的主要力量，它对气动弹性的影响不能忽视。
航空器设计应根据相关规范和表达式计算和评估阻力。
1.3 气动力矩气动力矩是指气动力在航空器上的产生的力矩。
航空器设计必须按照相关规程计算和评估气动力矩，以保证飞行的平稳性和稳定性。
二、弹性力学2.1 结构材料和构件设计航空器的结构材料和构件设计要符合相关标准和规范。
包括但不限于材料的强度、刚度、疲劳寿命等要求，以及构件的几何形状、连接方式等。
2.2 有限元分析有限元分析是航空器弹性力学分析中常用的数值计算方法。
对于复杂的航空器结构，必须进行有限元模拟和计算，以获取结构的应力、变形和振动等关键参数。
2.3 振动模态分析振动模态分析是航空器弹性力学中的一项重要内容，通过计算和分析航空器在不同振动模态下的频率、形状和幅值等参数，可以评估其结构强度和稳定性。
三、振动控制3.1 主动振动控制主动振动控制是指通过人工激励或自动调节系统来减小航空器振动。
包括振动抑制、振动补偿和振动消除等技术手段，可以提高航空器的性能和安全性。
3.2 被动振动控制被动振动控制是指通过调节材料、几何形状和连接方式等 passively （被动地）来减小航空器振动。
包括阻尼器、弹簧和质量均衡等被动振动控制装置，可以有效减缓航空器的振动。
3.3 综合振动控制综合振动控制是指将主动振动控制和被动振动控制相结合，通过整合各种振动控制技术和装置，来最大限度地减小航空器振动。
航空动力学中的气动弹性及其控制技术研究
航空动力学中的气动弹性及其控制技术研究航空工业一直是科技领域的重要部分。
随着飞行速度和高空飞行高度的提高，一些新的工程师和科学家也开始运用新的技术和知识，从而推动航空领域的发展。
气动弹性控制技术就是其中之一。
气动弹性控制技术是气动弹性问题研究的一种方法，目的是解决航空器在高速飞行中的振动和失控问题。
气动弹性指的是飞行器在飞行中遇到各种风对其造成的变形、振动和滞留现象，可能导致飞机失控，对人员和飞机造成严重的伤害。
因此，气动弹性的研究对于飞行控制和飞机安全非常关键。
研究气动弹性控制技术需要对气动力学有深刻的理解。
气动力学是研究空气流动和与之相邻物体的相互作用的力学学科。
在气动弹性控制技术中，我们需要了解空气流动和其对飞机的作用，以及飞机和环境之间的相互作用。
研究气动弹性控制技术的过程中，科学家们通常会进行一些试验和仿真。
试验是通过简化飞机结构和以生产生介质进行飞行实验，以验证和优化气动弹性控制技术效果的可以的方法。
仿真则是通过计算模拟气动弹性控制技术的效果。
这些方法可以让科学家们更好地了解气动弹性控制，优化控制技术的策略，确保飞机的安全。
研究者还会寻找气动弹性控制技术的控制方法。
目前，大多数方法都是基于多种控制系统：增益调整，预测控制，H-无穷控制和混合控制。
增益调整方法主要指通过增加或降低飞机的控制作用减少气动弹性。
预测控制方法通过模拟飞机的运动特征，提前预测气动振动并加以控制。
H-无穷控制方法指的是将控制系统的性能进行优化，使其保持足够的鲁棒性，适应各种情况下的不确定性。
最后，混合控制方法将控制方法进行组合，从而实现更好的效果。
总结起来，气动弹性控制技术是保证飞机在高速飞行过程中能够保持稳定并防止飞机失控的关键技术。
研究气动弹性控制技术需要对气动力学有深入的认识，通过试验和仿真进行优化和改良，并适用多种控制方法。
未来，随着科学技术的不断发展，人们相信气动弹性控制技术的研究和应用将会更加完善，飞机将越来越满足人们对飞行安全的要求。
气动弹性变形的机理与控制研究
气动弹性变形的机理与控制研究当我们坐在飞机上飞行时，也许有人会看到机翼表面会出现一些奇怪的变形，这就是气动弹性现象。
气动弹性是指飞机在飞行时，由于外部气流对其施加的力导致机翼、蒙皮等部件发生弹性变形的现象。
虽然这种变形看起来简单，但其机理却相当复杂。
气动弹性变形的机理气动弹性变形是由气流流经机翼、蒙皮等部件时产生的压力变化和振动等相互作用的结果。
当气流流过物体表面时，将产生一个较高的气压区和低气压区，它们之间的压差将会趋向消失。
如果物体表面不是平直的，而是有一些膨胀、缩小、弯曲等不规则的地方，那么当气流通过这里时，气压差将会更大，产生的力和振动也会更加复杂。
这时，物体表面膨胀、缩小、弯曲等地方的变形就会发生弹性形变。
这种形变与物体本身的弹性有关。
所谓弹性，是指物体受力后可以恢复自己的形状和大小。
在气动弹性变形中，弹性形变是由物体的自身弹性和外部气流相互作用产生的。
气动弹性变形的控制研究尽管气动弹性变形非常复杂，但是通过适当的控制方法，可以有效地控制气动弹性变形。
下面，我们将介绍一些常见的气动弹性变形控制方法。
1.卡纳莱-图克方法卡纳莱-图克方法是一种通过改变机翼蒙皮的形状，从而控制气动弹性变形的方法。
这种方法的基本思想是在机翼蒙皮表面设置一些特殊的形状，以形成适当的弹性形变。
例如，在机翼上设置一些凸起的小凸块，当气流通过时，这些凸块会产生一些振动，在振动的作用下，机翼蒙皮会形成一定的弹性形变，从而控制气动弹性变形。
2.主动控制主动控制是一种通过机翼、蒙皮等部件表面安装传感器和执行器，通过不断调整部件形状和位置，以达到抑制气动弹性变形的目的。
主动控制方法需要大量的计算和控制设备，但是其控制效果较好。
3.被动控制被动控制是一种通过在机翼、蒙皮等部件上安装一些特殊材料，以达到控制气动弹性变形的目的。
这些特殊材料能够在气流作用下产生一定的形变和振动，从而抑制气动弹性变形。
这种方法具有一定的实用价值，但需要不断地更换材料。
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1 飞机结构的刚度要求
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
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
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
颤振中的力作功曲线 颤阵临界速度的粗定量公式
γ 为焦点到重心的距离； b 为弦长。
Vcr =
π
S
2GJ ρ b
γ Cα y
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4 动气动弹性问题的力学成因及设计措施 2）副翼弯曲颤振的力学成因
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。
ΔYa ΔYk
副翼偏转产生向上升力ΔYa（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;反过来这又产生了向下的 升力ΔYk,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； 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）。
11
3 静气动弹性问题的力学成因及设计措施 3）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,对任何机翼
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
界速度；
全机共振实验（扫频仪、激振点）； 试飞测试。
6
2 飞机结构的气动弹性设计原理
气动弹性问题的基本概念
1）飞机结构上的三种力、三个心
焦心
气动力
弹性力
刚心
重心
质量力
7
2）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 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。一般有两类： 机翼扭转扩大（形变发散）问题 副翼反效（操纵效能）问题
第4章 飞机气动弹性力学
1
刚度与气动弹性设计
1 飞机结构的刚度要求
主导思想：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 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 的不安全或较大损伤积累的行为。
2
1 飞机结构的刚度要求 1 ）静刚度特性要求（变形量控制要求） 飞机结构的各个构件实际都有刚度要求，只是与强度问题
12
4 动气动弹性问题的力学成因及设计措施 1）机翼弹性弯扭变形耦合导致的颤振
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4 动气动弹性问题的力学成因及设计措施 1）机翼弹性弯扭变形耦合导致的颤振 气动力增量与飞行速度平方成正比
∆Y = C α y ∆θ
ρV02
2
S
α+Δα Δα V0
u
阻尼力与飞行速度成线性关系
2 V ρ u 0 Cα S ∆Yd = y V0 2
发生颤振发散（扰动激励下的一种振动方式）。
4
1 飞机结构的刚度要求
4）振动工作环境的结构部位，不应发生结构共振 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 的抖振（强迫振动）。
飞机结构刚度设计的轶事
1903年Wright兄弟成功动力飞 行的前九天，smithsonian 学 院的Langley教授在Potomac河 畔进行动力飞行失败了，机翼 的扭转刚度过小所致。
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 （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。
8
3 静气动弹性问题的力学成因及设计措施 1）静气动弹性问题中的扭转扩大
亚音速中严重
ΔY
气流扰动(ΔY)扰刚心产生扭转力矩Mα=ΔYda ； （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Mk
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： 机翼的壁板、梁、加强肋等）；
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 机翼的总体挠度及总扭转角等形变量控制）。
3
1 飞机结构的刚度要求
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4 动气动弹性问题的力学成因及设计措施 3）抗颤振设计措施 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/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）； 复合材料结构的弹性气动剪裁设计（弯扭耦合设计）； 主动控制技术（主动阻尼控制方法，动弹性分类 I(惯性力) A(气动力) I
S
A E
E(弹性力)
气动弹性力学三角形
气动伺服弹性力学三角形
T
I E
A
气动热弹性力学三角形
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的速度，控制操纵副翼或直接升力面）
16
5 气动弹性方框图 迎角α 机翼 升力Y
刚性机翼空气 动力方框图
迎角α
α+θ
刚性机翼 扭矩
升力Y
作为弹性系统 机翼 扭角 θ
弹性机翼空气 动力方框图
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5 气动弹性方框图 θ 突风G 空气动力学
空气动力Y
θ 变形
Y+I
弹性系统
质量惯性 θ
惯性力I
θ
弹性机翼的突 风响应
2）静气动弹性问题对结构部件的刚度要求 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(发散)的可能；
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。
3）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
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
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
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）；
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）。
刚度较小，Mα> Mk (扭角扩大，气动力矩 ，变形发散);
9
3 静气动弹性问题的力学成因及设计措施 1）静气动弹性问题中的扭转扩大 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 ; 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。
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3 静气动弹性问题的力学成因及设计措施 2）静气动弹性问题中副翼反效