ANSYS机翼模型模态分析详细过程

机翼模型的模态分析

高空长航的飞机近年得到了世界的普遍重视。由于其对长航时性能的要求，这种飞机的机翼采用非常大的展弦比，且要求结构重量非常低。大展弦比和低重量的要求，往往使这类结构受载时产生一系列气动弹性问题，这些问题构成飞行器设计和其它结构设计中的不利因素，解决气动弹性问题历来为飞机设计中的关键技术。颤振的发生与机翼结构的振动特性密切相关。通过对机翼的模态分析，可获得机翼翼型在各阶频率下的模态，得出振动频率与应变间的关系，从而可改进设计，避免或减小机翼在使用过程中因振动引起变形。

下图是一个机翼的简单模态分析。该机翼模型沿着长度方向具有不规则形状，而且其横截面是由直线和曲线构成（如图所示）。机翼一端固定于机身上，另一端则自由悬挂。机翼材料的常数为：弹性模量E=0.26GPa，泊松比m=0.3，密度r =886 kg/m。

图1机翼模型的结构尺寸图

1、建立有限元模型

1.1定义单元类型

自由网格对模型的要求不高，划分简单省时省力。选择面单元PLANE42 和体单元Solid45 进行划分网格求解。

1.2定义材料特性

根据上文所给的机翼材料常数定义材料特性，弹性模量E=0.26GPa，泊松比m=0.3，密度r =886 kg/m。

1.3建立几何模型并分网

该机翼模型比较简单，可首先建立机翼模型的截面，再其进行网格划分，然后对截面拉伸0.25m的长度并划分10个长度单元，而得到整个模型的网格。

图2机翼模型截面图

图3 盘轴结构的有限元模型

1.4模型施加载荷和约束

因为机翼一端固定于机身上，另一端则自由悬挂，因此对机翼模型的一端所有节点施加位移约束和旋转约束。

1.5 分析求解

本次求解了机翼模型的前五阶模态，各阶固有频率值如下

机翼前五阶振动模态图如下：

机翼的各阶模态及相应的变形如表1 及图6 所示。从图可看出在一阶( 14.283 Hz) 和二阶( 61.447Hz) 振动模态下，机翼主要发生弯曲变形，并且离翼根越远变形量越大。在三阶( 90.005 Hz) 振动模态下，机翼发生了弯曲变形和轻微的扭转变形，弯曲变形大，机翼的外形发生明显改变。在四阶( 138.83Hz) 振动模态下，机翼主要发生扭转变形，变形程度近似与机翼的厚度成反比，在截面 A 点处发生最大的变形，变形对机翼的外形影响轻微。在5 阶( 257.59 Hz) 振动模态下，机翼发生了严重变形，机翼变形复杂，弯曲为主，含有多种变形; 中间弦线两侧发生方向相反的弯曲变形，外形变形严重。

机翼的弯曲主要施加到机翼的梁和长桁上，而扭转变形主要施加到机翼的翼肋和蒙皮上，对一阶和二阶振动，机翼可以加强梁和长桁的强度，避免发生过大的弯

曲变形，对于四阶的振动，机翼需加强翼肋或采用整体壁板，避免因扭转变形导致机翼外形的改变。三阶和五阶振动下机翼变形严重，种类复杂。如飞行中气动弹性频率与之接近则需要改进飞机机翼的设计，避开发生此种变形的振动区域。

4 结语

不同的振动频率下，机翼的模态不同，变形的种类不同，变形大小不同。实际设计翼型时需要考虑飞行环境中气动弹性的频率，避免机翼发生过大的变形影响飞行安全。对于本文中的翼型，应避免三阶和五阶振动下飞行环境，如果气动弹性频率在此范围内就需要更改翼型的设计，并进行分析。