本文在ANSYS13.0平臺上，采用有限元方法對機翼模態進行了建模和數值分析，為機翼翼型的設計和改進提供基礎數據。
高空長航時飛機近年來得到了世界的普遍重視。由于其對長航時性能的要求，這種飛機的機翼往往采用非常大的展弦比，且要求結構重量非常低。大展弦比和低重量的要求，往往使得這類結構受載時產生一系列氣動彈性問題，這些問題構成飛行器設計和其它結構設計中的不利因素，解決氣動彈性問題歷來為飛機設計中的關鍵技術。顫振的發生與機翼結構的振動特性密切相關。通過對機翼模態的分析，可以獲得機翼翼型在各階頻率下的模態，得出振動頻率與應變之間的關系，從而可以改進設計，避免或減小機翼在使用過程中因為振動引起的變形。
同時，通過實踐和實際應用，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格劃分技巧和約束條件的確定，為以后進一步的學習和應用打下基礎。
◆◆計算模型◆◆
一個簡化的飛機機翼模型如圖1所示，機翼的一端固定在機體上，另一端為懸空自由端，該機翼沿延翼方向為等厚度，有關的幾何尺寸見圖1。
圖1 機翼模型簡圖
在分析過程采用直線段和樣條曲線簡化描述機翼的橫截面形狀，選取5個keypoint，A(0,0,0) 為坐標原點，同時為翼型截面的尖點；B(0.05,0,0) 為下表面輪廓截面直線上一點，同時是樣條曲線BCDE的起點；D(0.0475,0.0125,0) 為樣曲線上一點。C(0.0575，0.005,0) 為樣條曲線曲率****點，樣條曲線的頂點；點E (0.025,0.00625,0) 與點A構成直線，斜率為0.25。通過點A、B做直線和點B、C、D、E作樣條曲線就構成了截面的形狀，如圖2。沿Z方向拉伸，就得到機翼的實體模型，如圖1。
機翼材料的常數為： 彈性模量E =0.26GPa， 泊松比μ =0.3，密度ρ =886kg/m³。
該問題屬于動力學中的模態分析問題。在計算結構固有動力特性時，我們僅僅是計算少數低階模態，因此可以選擇較少的網格，以提高計算的效率同時不影響計算的準確性。同時，計算固有特性時網格劃分趨于采用較均勻的鋼格形式。這是因為固有頻率和振型主要取決于結構質量分布和剛度分布，不存在類似應力集中的現象，采用均勻網格可使結構剛度矩陣和質量矩陣的元素不致相差太大，可減小數值計算誤差。
考慮到映射網格劃分方式對模型的要求比較高，建模時就必須將模型建成具有規則的體和面組成的模型。相反，自由網格對模型的要求不高，劃分簡單省時省力。選擇面單元PLANE42和體單元SOLID45進行劃分網格求解。面網格選擇單元尺寸為0.00625，體網格劃分時按單元數目控制網格劃分，選擇單元數目為10。網格劃分結果如圖3、圖4。
圖3 機翼截面有限元網格劃分
圖4 機翼有限元網格劃分
對模型施加約束，由于機翼一端固定在機身上所以在機翼截面的一端所有節點施加位移和旋轉約束，如圖5。
圖5 對機翼模型施加約束
◆◆處理結果及分析◆◆
(b)二階振動模態
(c)三階振動模態
(d)四階振動模態
(e)五階振動模態
圖6
從圖中我們可以看出：
在一階 (14.257Hz) 和二階 (61.447Hz) 振動模態下，機翼主要發生彎曲變形，并且離翼根越遠變形量越大；
在三階 (89.866Hz) 振動模態下，機翼發生了彎曲變形和輕微的扭轉變形，彎曲變形大，機翼的外形發生明顯改變；
在四階 (138.19Hz) 振動模態下，機翼主要發生扭轉變形，變形程度近似與機翼的厚度成反比，在截面A點處發生****的變形，變形對機翼的外形影響輕微；
在5階 (256.76Hz) 振動模態下，機翼發生了嚴重變形，機翼變形復雜，彎曲為主，含有多種變形；中間弦線兩側發生方向相反的彎曲變形，外形變形嚴重。
機翼的彎曲主要施加到機翼的梁和長桁上，而扭轉變形主要施加到機翼的翼肋和蒙皮上，對一階和二階振動，機翼可以加強梁和長桁的強度，避免發生過大的彎曲變形；對于四階的振動，機翼需加強翼肋或采用整體壁板，避免因扭轉變形導致機翼外形的改變；三階和五階振動下機翼變形嚴重，種類復雜。如飛行中氣動彈性頻率與之接近則需要改進飛機機翼的設計，避開發生此種變形的振動區域。
◆◆結 論◆◆
不同的振動頻率下，機翼的模態不同，變形的種類不同，變形大小不同。實際設計翼型時，需要考慮飛行環境中氣動彈性的頻率，避免機翼發生過大的變形影響飛行安全。對于本文中的翼型，應避免三階和五階振動下飛行環境，如果氣動彈性頻率在此范圍內就需要更改翼型的設計，并進行分析。
引用：聲振之家 1月11日
來源：CAE技術聯盟微信公眾號（ID：caejslm），檢索發現最早發布于百度文庫，由yingsun008分享。
https://mp.weixin.qq.com/s/_7juFvm6AXw92zTHh93D3Q
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