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云端之上

确定飞机大型自适应柔性前缘缝翼截面原型的动力学特性

第七框架计划(资助协议编号 213442)下的 SADE 项目(下一代机翼智能高升力装置)研究了下一代机翼的“智能”变形机械元件,旨在提高气动性能、燃油效率,并在飞行各阶段(尤其是着陆阶段)降低噪音和排放。

该项目研究了多种自适应控制方案。其中,由德国航空航天中心(DLR)和空客集团(前身为EADS)的专家开发的一种方案,是一种自适应的智能可变形前缘缝翼或前缘结构,该结构直接安装在机翼箱上(图1)。

图1:带有“智能”肋条和运动控制机构的试验结构的有限元模型

在研究这一概念的过程中,一个重要步骤是制造了一个带有可变形前缘缝翼的大型飞机机翼段原型,并在大型低速“TsAGI 101”风洞中对其进行测试(图2)。该三段式自适应前缘缝翼采用玻璃纤维增强塑料制成的加固弹性蒙皮。

作为SADE项目极其复杂的计算与实验工作的一部分,俄罗斯国家研究机构——中央空气动力学研究所(TsAGI)的专家参与了原型的设计与制造,在T-101风洞中进行了气动平衡测量,并确定了该机翼段的动态和静态刚度特性。 这项工作不仅与风洞中气弹性现象(颤振、抖振等)测试的安全要求相关,还涉及利用实验测定的固有频率和模态形状,对原型的CAD几何形状和有限元模型(NASTRAN)进行验证。

图2:风洞工作段内的原型机翼段(1——自适应前缘缝翼,2——气室,3——襟翼,4——尾翼,5——整流罩,6——气动支撑标尺,7——气动失速标尺)

为了在进行实验时满足所需的边界条件,将原型件的两侧分别悬挂在两组弹性绳上,这些弹性绳悬挂在安装于桥式起重机挂钩上的专用横梁上(图3)。

图3:用于原型频率实验的弹性支撑系统

原型机的主要动态特性是通过两种不同的方法确定的:

  • 一种是采用标准阶跃正弦法,利用电动力振动台配合接触式传感器测量振动以寻找共振点;
  • 采用非接触式扫描激光多普勒振动测量法(LDV),利用集成力传感器的冲击锤对自由阻尼振动进行脉冲激励。

对于标准方法,使用Prodera EX220SC电磁振动台对结构进行激励,并通过与PCB 333V32接触式传感器相连的LMS SCADAS III / Stepped Sine LMS Test.Lab软硬件系统记录动态特性。

非接触式测量采用Polytec 的PSV-H4系统进行,通过PCB 086E80冲击锤敲击原型的金属部件或加固肋来激发结构元件的振动。

在图4中,使用NASTRAN计算的原型机的固有振动模态(图像底行)与通过非接触法(顶行)和标准法(中行)获得的实验数据进行了对比。

图4:原型机部分模态形状的模拟与实验对比

该试验旨在确定原型机前20个固有模态的基本动力学特性,从而能够优化数学仿真模型,以考虑复杂的非线性动力学行为。结果表明,计算值与采用标准方法测得的实验值之间的偏差未超过6.5%。

通过对比这两种测试方法,使用激光多普勒振动计的重要优势显而易见,包括技术和经济上的效益。标准相位共振法需要2名工程师和2名技术人员花费13天时间,而使用Polytec公司的非接触式PSV-H4设备,仅需2名工程师(无需技术人员)花费5天时间,即可获得质量可接受的实验数据。

参考文献:Kintscher M. 基于单纯形优化方案的智能下垂式机鼻预设计方法。——SAE航空技术大会暨展览会,2009年11月10日至12日,美国华盛顿州西雅图。 Amiryants G.、Malyutin V.、Timokhin V. 《用于自适应机翼智能元件设计的择性可变形结构》。第27届国际航空科学理事会大会——ICAS2010,2010年9月19日至24日,法国尼斯。

图片来源:除非另有说明,否则图片均由作者提供。封面图片:©fotolia.com/tanasan

我们的作者

Dr. Sci. Tech. Gennady A. Amiryants at al.
首席科学家​​​​​
www.tsagi.ru

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