飞行器气动弹性力学_2009版_
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。
气动弹性力学
硬，不会发生扭转发散；扭转刚度不足是引起扭转发散
的主要原因。
➢ 刚心向前缘靠近，即减小e 值，也会使扭转发散速度VD
增加。
➢ 空气密度的减小，扭转发散速度VD也增大。即低空飞行
时容易出现扭转发散。
2.2 二元机翼的扭转发散问题
气动弹性力学
本节课要介绍的内容
➢二元机翼气动载荷重新分布、型架外形设计的基本概念 ➢ 二元机翼的操纵效率与操纵反效
AL
E K
e c=2b
气动弹性力学
考虑气动弹性效应，弹性扭角为
( CL
qSe0 )
/
K
1
CL
qSe
/
K
q 1 V 2
2
即
0
0
(CL
qSe0)/
K
1CL
qSe/
K
(1
CL
qSe/
K
1CL
qSe/
K
)0
1
1CL qSe/
K
0
即 0(1C LqSe/K)
2.2 二元机翼的扭转发散问题
气动弹性力学
或者 0(11 2 C LV2Se/K )
CL
qSe/
K
(2.5)
C L
[ 0
(C L
qSe
0
M
A)/ K
1 C L qSe
/K
] qS
r
CL
qSe0
MA
K
(2.6)
C L
( 0
r 1 q qD
) qS
C L
qS 0
C L qS r 1 q qD
(2.12)
qD
K C L Se
飞行器气动弹性研究
飞行器气动弹性研究第一章：引言飞行器的气动弹性研究是飞行器设计过程中非常重要的一个环节。
气动弹性是指飞机在飞行过程中因气动力引起的结构变形和振动。
它是飞机设计中必须考虑的问题，也是影响飞机安全设计和运行的重要因素。
因此，对飞行器的气动弹性研究至关重要。
本文将介绍飞行器的气动弹性研究，包括气动弹性的概念和特点，气动弹性的分析方法、应用和现状。
同时，本文还将介绍飞行器气动弹性的研究意义和未来发展方向。
第二章：气动弹性的概念和特点气动弹性是指飞机在飞行过程中因气动力引起的结构变形和振动。
飞行器的气动弹性特征取决于飞行器的外形和周围流场的特征，也与材料的刚度和弹性有关。
气动弹性的强弱对飞行器的飞行性能、结构强度和稳定性都有着重要的影响。
气动弹性的特点是非线性和耦合。
飞行器在飞行过程中，其结构变形和振动与气动力之间存在着相互作用。
由于气动力的非线性和不稳定性，导致气动弹性的分析和控制变得十分复杂。
第三章：气动弹性的分析方法气动弹性的分析方法包括有限元方法、梁式理论和数值方法等。
有限元方法（FEM）是目前应用最广泛的飞行器气动弹性分析方法。
它将结构和流体领域分别建模后将两者耦合起来，形成一个完整的模型。
通过该模型，可以得到飞行器的气动弹性响应和振动特性。
梁式理论是以理想挠曲梁为基础的一种简化方法。
它将飞行器的结构分解为许多梁和杆件，以得到横向和纵向的颤振模式。
尽管该方法比有限元方法简单，但是只能处理某些特定的研究情况。
数值方法包括CFD和FVM等方法。
CFD方法将飞行器的流场建模，通过对气动力的计算，来解决飞行器的气动弹性问题。
FVM方法则是针对现代流体动力学问题的一种新方法，其关键是通过把问题离散化为一个差分方程，在电子计算机上进行程序计算。
第四章：气动弹性的应用气动弹性的应用主要包括飞行器设计优化、飞行动力学控制系统设计和安全评估等方面。
在飞行器的设计中，气动弹性可以指导结构设计选择，预测飞行器在特定飞行状态下的气动弹性响应，以确定结构的强度和屈曲限制等条件。
飞行器气动弹性特性及其挑战
飞行器气动弹性特性及其挑战飞行器的气动弹性特性是指飞行器在飞行时由空气流动引起的弹性变形和振动现象。
这些变形和振动可能对飞行器的性能、安全性和寿命产生重要影响，因此对这些特性的研究和解决相关挑战具有重要意义。
在飞行器的设计和制造过程中，考虑和处理气动弹性特性十分关键。
一方面，飞行器的结构必须具有足够的强度和刚度来抵抗各种飞行载荷；另一方面，飞行器又必须具有一定的柔性和可变形性，以适应不同飞行条件和改善飞行性能。
首先，飞行器的气动弹性特性会对飞行性能产生直接影响。
例如，空气动力学效应会导致飞机产生升力和阻力，在飞行中需要精确掌握飞行器的气动特性，以便进行合适的操纵和控制。
此外，气动弹性也会导致飞行器的非线性响应和振动，这些不同响应模态可能使得飞机的飞行过程更加复杂，需要进行合适的设计和控制。
其次，飞行器的气动弹性特性还对飞机的结构安全性产生重要影响。
例如，当飞机在气流中飞行时，结构可能会受到风荷载和涡激振动等的影响，从而引起结构的应力和变形。
如果这些应力和变形超过了材料的极限，就可能会导致结构破坏或失效。
因此，对飞行器的气动弹性进行准确的分析和设计，对保证飞行器的结构安全至关重要。
然而，飞行器的气动弹性特性也带来了一些挑战。
首先，由于气动弹性特性是相对复杂的，涉及流体动力学、结构动力学和弹性力学等多个学科领域的交叉研究，需要进行深入的理论分析和数值模拟。
其次，飞行器的气动弹性特性往往具有多模态和非线性的特点，对于模态解耦和非线性控制技术的研究提出了更高的要求。
此外，飞行器的气动弹性还涉及到飞行器的整体设计和细节设计之间的相互影响，需要综合考虑多个因素。
为了解决这些挑战，研究人员采取了各种方法。
一方面，利用现代计算机仿真和数值模拟技术，可以对飞机的气动弹性特性进行准确的预测和分析，从而指导飞行器的设计和改进。
另一方面，开展实验研究和试验验证，通过对飞行器的气动特性和结构响应的实际测量，验证和修正数值模拟结果，提高对飞行器气动弹性特性的认识。
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
计算气动弹性若干研究进展
计算气动弹性若干研究进展杨国伟【期刊名称】《力学进展》【年(卷),期】2009(39)4【摘要】郭永怀和钱学森先生早在1946年提出了上临界马赫数的概念,即对于亚声速的二维无旋流动,当来流速度达到下临界马赫数时开始出现声速.稍增加来流速度,光滑无旋的亚、超声速混合流动可以继续存在,理论上只有当来流速度达到上临界马赫数出现激波后,光滑无旋流动才被破坏.随后,航空工程界先驱们为提高阻力发散马赫数,降低马赫数1附近的飞机阻力,为突破声障,提出了超临界翼型设计技术,引进了后掠翼设计概念,提出了跨声速面积律理论,导致了20世纪军民用航空飞行器的大规模发展,随着计算机技术和计算方法的进步,不同程度地简化流体控制方程的求解方法得到大发展.基于雷诺平均Navier-Stokes方程的计算流体力学已广泛应用于飞机性能评估、复杂流动机理分析.目前,气动外形优化设计、气动/结构耦合干扰、气动噪声等多学科问题成为空气动力学的研究热点.该文介绍作者的团队近年来在计算气动弹性研究方面的若干进展,作为对郭永怀先生诞辰100周年的怀念.【总页数】15页(P406-420)【作者】杨国伟【作者单位】中国科学院力学研究所高温气体动力学重点实验室,北京,100190【正文语种】中文【中图分类】O3【相关文献】1.风力机叶片气动弹性剪裁研究进展 [J], 李晓拓;祝颖丹;颜春;范欣愉2.空间再入飞行器热气动弹性数值研究进展 [J], 张章;黄伟;唐明章;王伟志3.大展弦比柔性机翼气动弹性分析中的气动力方法研究进展 [J], 杨超;杨澜;谢长川4.机翼前缘及气动弹性优化设计研究进展 [J], 秦琴;李立强;易清洋;邵云峰5.间隙非线性气动弹性系统颤振及控制问题研究进展 [J], 李家旭;田玮;谷迎松因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
航空工程中的飞行器气动力学资料
航空工程中的飞行器气动力学资料航空工程是指研究和开发飞行器以及与之相关的各种技术的学科。
飞行器气动力学是航空工程中的一个重要分支，它研究飞行器在空气中运动时所受到的气动力学效应。
本文将介绍航空工程中涉及的飞行器气动力学资料，包括飞行器的气动特性、气动力学参数和相关工具。
一、飞行器的气动特性飞行器的气动特性是指飞行器在空气中运动时所表现出的气动效应。
这些特性包括升力、阻力、侧力、滚转力矩、俯仰力矩、偏航力矩等，它们直接影响着飞行器的飞行性能和稳定性。
在航空工程中，需要对飞行器的气动特性进行精确的测量和分析，以便优化设计和改进飞行性能。
二、气动力学参数气动力学参数是用来描述飞行器在空气中运动时所受到的气动力学效应的量化指标。
常见的气动力学参数包括升力系数、阻力系数、侧力系数、滚转力矩系数、俯仰力矩系数、偏航力矩系数等。
这些参数的测量和计算可以帮助航空工程师了解飞行器的气动性能，并做出相应的改进和调整。
三、气动力学模拟与计算工具在航空工程中，气动力学模拟与计算工具是不可或缺的。
它们通过建立数学模型和使用计算方法来模拟和计算飞行器在不同条件下的气动力学效应。
其中，计算流体力学（CFD）是一种广泛应用的方法，它可以通过数值计算来模拟和分析复杂的气动力学问题。
此外，还有一些专业的软件工具如风洞数据处理软件、飞行器风洞试验分析软件等，用于获取和分析飞行器的气动数据。
四、飞行器气动力学资料的应用飞行器气动力学资料在航空工程中具有广泛的应用。
它们可以用于优化飞行器的设计、改进飞行性能、提高飞行安全性以及进行飞行器的控制和导航等。
航空工程师可以根据气动力学资料，针对不同飞行任务和工况进行飞行器的设计和改进，以满足飞行器的性能要求。
综上所述，航空工程中的飞行器气动力学资料对于飞行器的设计和改进具有重要的意义。
通过研究飞行器的气动特性、计算和分析气动力学参数，以及利用气动力学模拟与计算工具，航空工程师可以更好地理解和掌握飞行器在空气中的行为，进而优化飞行器的设计和改进飞行性能。
飞行器气动力学与飞行控制
飞行器气动力学与飞行控制飞行器气动力学与飞行控制是航空航天工程领域中最关键和基础的学科之一。
它涉及到飞行器的设计、建模、分析和控制等方面，对于飞行器的性能和稳定性起着至关重要的作用。
本文将就飞行器气动力学和飞行控制的基本原理进行探讨。
一、飞行器气动力学飞行器气动力学是研究飞行器在流体力学作用下运动规律的学科。
其基本假设是飞行器是刚体，并处于静力平衡状态，即受力平衡。
飞行器受到来自气流的气动力，包括升力、阻力、侧力和俯仰力等。
其中，升力是使飞行器在空中获得升力的关键力量，阻力是阻碍飞行器前进速度的力量，侧力是侧向运动的力量，俯仰力则是俯仰运动的力量。
在飞行器气动力学中，升力和阻力是两个最为重要的力量。
升力主要受飞行器的气动外形和攻角的影响，可以通过改变攻角和增加机翼面积等方式来调节。
阻力则与飞行器的速度、气动外形和雷诺数等有关，可以通过减小飞行器的气动阻力系数和提高流线型来降低阻力。
此外，侧力和俯仰力则与飞行器的侧向和俯仰运动相关，需要通过调整舵面的位置和角度来控制。
二、飞行控制系统飞行控制系统是指通过操纵飞行器上的舵面和推力装置，来实现对飞行器运动状态的控制。
它可以分为两个方面：动力学控制和导航控制。
动力学控制是指控制飞行器在三个自由度上的运动状态，即滚转、俯仰和偏航。
其中，滚转控制是通过调节副翼或气动融合设计来实现的；俯仰控制则是通过改变升降舵或更改机身姿态来实现的；偏航控制则是通过舵面或巡航推力装置等来实现的。
动力学控制旨在使飞行器能够保持稳定平衡的飞行状态，避免异常姿态和剧烈的姿态变化。
导航控制是指控制飞行器的位置和航向，以实现特定的飞行任务。
根据导航定位系统的发展，导航控制可以分为惯性导航和卫星导航两种。
惯性导航是通过加速度计和陀螺仪等内部传感器来获取飞行器的位置和速度信息，以实现飞行器的定位和导航；而卫星导航则是通过接收卫星发射的导航信号，来实现飞行器的定位和导航。
导航控制的目标是使飞行器能够按照预定的航线完成飞行任务，并能够在特定时刻到达特定位置。
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目录
前 言..................................................................................................................................................I 目 录.................................................................................................................................................. i 第一章 绪论................................................................................................................................ - 1 第二章 二元机翼的气动弹性静力学问题 ................................................................................ - 4 -
第四章介绍颤振的基本概念和机理，包括经典弯扭耦合型颤振的机理、机翼弯曲/副翼偏 转型颤振的机理、频率重合理论以及设计参数对颤振的定性影响；
第五章介绍二元机翼颤振分析的基本方法，包括不可压缩气流中振动二元机翼的准定常 气动力和非定常气动力计算方法、颤振方程求解方法。着重介绍西奥道生理论和减缩频率的 概念以及求解颤振临界速度的V－g法和p-k法的基本原理与步骤；
§2.1 引言............................................................................................................................... - 4 §2.2 二元机翼的扭转发散问题 ........................................................................................... - 4 §2.3 二元机翼的操纵面效率与操纵反效问题 ................................................................. - 12 第三章 三元机翼的气动弹性静力学问题 .............................................................................. - 19 §3.1 引言............................................................................................................................. - 19 §3.2 空气动力影响系数矩阵的计算 ................................................................................. - 20 §3.3 机翼柔度影响系数矩阵的计算 ................................................................................. - 26 §3.4 三元机翼的气动载荷重新分布与扭转发散 ........................................................... - 30 第四章 颤振的基本概念和机理 .............................................................................................. - 36 §4.1 引言............................................................................................................................. - 36 §4.2 颤振产生的机理 ......................................................................................................... - 37 §4.3 颤振分析的频率重合理论 ......................................................................................... - 40 §4.4 设计参数对颤振速度的影响 ..................................................................................... - 44 第五章 二元机翼的颤振分析 .................................................................................................. - 48 §5.1 引言............................................................................................................................. - 48 §5.2 不可压缩气流中振动二元机翼的气动力计算 ......................................................... - 48 §5.3 应用准定常气动力求解二元机翼的颤振 ................................................................. - 57 §5.4 应用非定常气动力理论求解二元机翼颤振 ............................................................. - 63 §5.5 考虑压缩性效应的颤振计算 ..................................................................................... - 74 第六章 三元机翼的颤振计算 ................................................................................................ - 77 §6.1 引言............................................................................................................................. - 77 §6.2 长直机翼的颤振计算 ................................................................................................. - 77 §6.3 小展弦比机翼的颤振计算 ......................................................................................... - 78 §6.4 三元机翼的广义气动力计算 ..................................................................................... - 80 §6.5 用活塞理论计算机翼颤振临界速度 ......................................................................... - 82 第七章 操纵面颤振分析 .......................................................................................................... - 88 §7.1 各种涉及操纵面的颤振型态 ..................................................................................... - 88 §7.2 操纵面的质量平衡概念 ............................................................................................. - 88 §7.3 消除操纵面颤振的质量平衡设计 ............................................................................. - 91 第八章 防颤振设计的一般步骤及强度规范 .......................................................................... - 95 -
由此可见，作为飞行器设计与工程专业的学生，学习飞行器气动弹性力学的基本原理和 方法，对于今后从事飞行器设计或其它相关工程结构的设计工作大有裨益。作为一门专业选 修课程，为了在有限的时间里，使读者了解飞行器气动弹性力学的主要研究内容、原理、方 法以及它在飞行器（飞机）设计工程中的一些具体应用，我们编写了《飞行器气动弹性力学》 这本讲义。讲义中涉及的内容都是飞行器气动弹性力学研究中一些基础的问题，而作为一门 工程性很强的学科，在进行实际飞行器的气动弹性特性分析时，还需要结合飞行器气动弹性 工程分析经验和相关学科的知识，综合运用飞行器气动弹性力学的基础理论，才能解决飞行 器气动弹性设计中的具体问题，这也是我们编写这本讲义的根本目的。