本文在ANSYS13.0平臺(tái)上，采用有限元方法對(duì)機(jī)翼模態(tài)進(jìn)行了建模和數(shù)值分析，為機(jī)翼翼型的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
高空長航時(shí)飛機(jī)近年來得到了世界的普遍重視。由于其對(duì)長航時(shí)性能的要求，這種飛機(jī)的機(jī)翼往往采用非常大的展弦比，且要求結(jié)構(gòu)重量非常低。大展弦比和低重量的要求，往往使得這類結(jié)構(gòu)受載時(shí)產(chǎn)生一系列氣動(dòng)彈性問題，這些問題構(gòu)成飛行器設(shè)計(jì)和其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不利因素，解決氣動(dòng)彈性問題歷來為飛機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。顫振的發(fā)生與機(jī)翼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性密切相關(guān)。通過對(duì)機(jī)翼模態(tài)的分析，可以獲得機(jī)翼翼型在各階頻率下的模態(tài)，得出振動(dòng)頻率與應(yīng)變之間的關(guān)系，從而可以改進(jìn)設(shè)計(jì)，避免或減小機(jī)翼在使用過程中因?yàn)檎駝?dòng)引起的變形。
同時(shí)，通過實(shí)踐和實(shí)際應(yīng)用，可以掌握有限元分析的方法和步驟，熟悉ANSYS有限元分析軟件的建模和網(wǎng)格劃分技巧和約束條件的確定，為以后進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
◆◆計(jì)算模型◆◆
一個(gè)簡化的飛機(jī)機(jī)翼模型如圖1所示，機(jī)翼的一端固定在機(jī)體上，另一端為懸空自由端，該機(jī)翼沿延翼方向?yàn)榈群穸龋嘘P(guān)的幾何尺寸見圖1。
圖1 機(jī)翼模型簡圖
在分析過程采用直線段和樣條曲線簡化描述機(jī)翼的橫截面形狀，選取5個(gè)keypoint，A(0,0,0) 為坐標(biāo)原點(diǎn)，同時(shí)為翼型截面的尖點(diǎn)；B(0.05,0,0) 為下表面輪廓截面直線上一點(diǎn)，同時(shí)是樣條曲線BCDE的起點(diǎn)；D(0.0475,0.0125,0) 為樣曲線上一點(diǎn)。C(0.0575，0.005,0) 為樣條曲線曲率****點(diǎn)，樣條曲線的頂點(diǎn)；點(diǎn)E (0.025,0.00625,0) 與點(diǎn)A構(gòu)成直線，斜率為0.25。通過點(diǎn)A、B做直線和點(diǎn)B、C、D、E作樣條曲線就構(gòu)成了截面的形狀，如圖2。沿Z方向拉伸，就得到機(jī)翼的實(shí)體模型，如圖1。
機(jī)翼材料的常數(shù)為： 彈性模量E =0.26GPa， 泊松比μ =0.3，密度ρ =886kg/m³。
該問題屬于動(dòng)力學(xué)中的模態(tài)分析問題。在計(jì)算結(jié)構(gòu)固有動(dòng)力特性時(shí)，我們僅僅是計(jì)算少數(shù)低階模態(tài)，因此可以選擇較少的網(wǎng)格，以提高計(jì)算的效率同時(shí)不影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。同時(shí)，計(jì)算固有特性時(shí)網(wǎng)格劃分趨于采用較均勻的鋼格形式。這是因?yàn)楣逃蓄l率和振型主要取決于結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布和剛度分布，不存在類似應(yīng)力集中的現(xiàn)象，采用均勻網(wǎng)格可使結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的元素不致相差太大，可減小數(shù)值計(jì)算誤差。
考慮到映射網(wǎng)格劃分方式對(duì)模型的要求比較高，建模時(shí)就必須將模型建成具有規(guī)則的體和面組成的模型。相反，自由網(wǎng)格對(duì)模型的要求不高，劃分簡單省時(shí)省力。選擇面單元PLANE42和體單元SOLID45進(jìn)行劃分網(wǎng)格求解。面網(wǎng)格選擇單元尺寸為0.00625，體網(wǎng)格劃分時(shí)按單元數(shù)目控制網(wǎng)格劃分，選擇單元數(shù)目為10。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3、圖4。
圖3 機(jī)翼截面有限元網(wǎng)格劃分
圖4 機(jī)翼有限元網(wǎng)格劃分
對(duì)模型施加約束，由于機(jī)翼一端固定在機(jī)身上所以在機(jī)翼截面的一端所有節(jié)點(diǎn)施加位移和旋轉(zhuǎn)約束，如圖5。
圖5 對(duì)機(jī)翼模型施加約束
◆◆處理結(jié)果及分析◆◆
(b)二階振動(dòng)模態(tài)
(c)三階振動(dòng)模態(tài)
(d)四階振動(dòng)模態(tài)
(e)五階振動(dòng)模態(tài)
圖6
從圖中我們可以看出：
在一階 (14.257Hz) 和二階 (61.447Hz) 振動(dòng)模態(tài)下，機(jī)翼主要發(fā)生彎曲變形，并且離翼根越遠(yuǎn)變形量越大；
在三階 (89.866Hz) 振動(dòng)模態(tài)下，機(jī)翼發(fā)生了彎曲變形和輕微的扭轉(zhuǎn)變形，彎曲變形大，機(jī)翼的外形發(fā)生明顯改變；
在四階 (138.19Hz) 振動(dòng)模態(tài)下，機(jī)翼主要發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，變形程度近似與機(jī)翼的厚度成反比，在截面A點(diǎn)處發(fā)生****的變形，變形對(duì)機(jī)翼的外形影響輕微；
在5階 (256.76Hz) 振動(dòng)模態(tài)下，機(jī)翼發(fā)生了嚴(yán)重變形，機(jī)翼變形復(fù)雜，彎曲為主，含有多種變形；中間弦線兩側(cè)發(fā)生方向相反的彎曲變形，外形變形嚴(yán)重。
機(jī)翼的彎曲主要施加到機(jī)翼的梁和長桁上，而扭轉(zhuǎn)變形主要施加到機(jī)翼的翼肋和蒙皮上，對(duì)一階和二階振動(dòng)，機(jī)翼可以加強(qiáng)梁和長桁的強(qiáng)度，避免發(fā)生過大的彎曲變形；對(duì)于四階的振動(dòng)，機(jī)翼需加強(qiáng)翼肋或采用整體壁板，避免因扭轉(zhuǎn)變形導(dǎo)致機(jī)翼外形的改變；三階和五階振動(dòng)下機(jī)翼變形嚴(yán)重，種類復(fù)雜。如飛行中氣動(dòng)彈性頻率與之接近則需要改進(jìn)飛機(jī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)，避開發(fā)生此種變形的振動(dòng)區(qū)域。
◆◆結(jié) 論◆◆
不同的振動(dòng)頻率下，機(jī)翼的模態(tài)不同，變形的種類不同，變形大小不同。實(shí)際設(shè)計(jì)翼型時(shí)，需要考慮飛行環(huán)境中氣動(dòng)彈性的頻率，避免機(jī)翼發(fā)生過大的變形影響飛行安全。對(duì)于本文中的翼型，應(yīng)避免三階和五階振動(dòng)下飛行環(huán)境，如果氣動(dòng)彈性頻率在此范圍內(nèi)就需要更改翼型的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行分析。
引用：聲振之家 1月11日
來源：CAE技術(shù)聯(lián)盟微信公眾號(hào)（ID：caejslm），檢索發(fā)現(xiàn)最早發(fā)布于百度文庫，由yingsun008分享。
https://mp.weixin.qq.com/s/_7juFvm6AXw92zTHh93D3Q
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