飞行器气动弹性原理-(第2版)

第1章 绪 论…………………………………………………………………………………… 1

1.1 气动弹性力学概述……………………………………………………………………… 1

1.2 气动弹性力学发展的简要回顾………………………………………………………… 2

1.3 气动弹性现象描述……………………………………………………………………… 4

1.3.1 气动弹性静力学的基本现象……………………………………………………… 4

1.3.2 气动弹性动力学的基本现象……………………………………………………… 6

1.4 气动弹性力学的发展…………………………………………………………………… 6

1.5 气动弹性学科的特点…………………………………………………………………… 10

思考题及练习题……………………………………………………………………………… 10

参考文献……………………………………………………………………………………… 10

第2章 空气动力学基础……………………………………………………………………… 12

2.1 气动力分析方法概述…………………………………………………………………… 12

2.1.1 定常气动力分析方法……………………………………………………………… 12

2.1.2 非定常气动力分析方法…………………………………………………………… 13

2.2 空气动力学基本方程…………………………………………………………………… 15

2.2.1 N S方程和Euler方程………………………………………………………… 15

2.2.2 速度势方程………………………………………………………………………… 19

2.3 定常线性气动力分析基础……………………………………………………………… 20

2.3.1 小扰动速度势方程………………………………………………………………… 20

2.3.2 面元法……………………………………………………………………………… 23

2.3.3 涡格法……………………………………………………………………………… 24

2.3.4 定常线性气动力分析方法的局限………………………………………………… 25

2.4 非定常线性小扰动速度势方程………………………………………………………… 27

2.4.1 小扰动假设………………………………………………………………………… 27

2.4.2 小扰动速度势方程………………………………………………………………… 27

2.4.3 压力系数…………………………………………………………………………… 28

2.4.4 边界条件…………………………………………………………………………… 28

2.5 非定常线性小扰动方程求解的基本思路……………………………………………… 29

2.5.1 叠加原理…………………………………………………………………………… 29

2.5.2 基本解……………………………………………………………………………… 29

2.5.3 谐振荡形式的线性小扰动方程…………………………………………………… 30

2.5.4 求解思路…………………………………………………………………………… 31

2.5.5 非定常线性气动力求解基本假设小结…………………………………………… 31

2.6 偶极子格网法简介……………………………………………………………………… 32

2.6.1 亚声速偶极子格网法简述………………………………………………………… 33

2.6.2 超声速偶极子格网法的特点……………………………………………………… 34

2.7 准定常气动力…………………………………………………………………………… 35

2.7.1 Grossman理论…………………………………………………………………… 35

2.7.2 细长体理论………………………………………………………………………… 37

2.7.3 气动力导数………………………………………………………………………… 38

2.7.4 活塞理论…………………………………………………………………………… 39

2.8 二元非定常气动力理论………………………………………………………………… 40

2.9 线性非定常气动力近似方法…………………………………………………………… 44

2.10 非线性非定常方程求解的基本特点………………………………………………… 46

2.11 高超声速气动力分析方法…………………………………………………………… 46

思考题及练习题……………………………………………………………………………… 48

参考文献……………………………………………………………………………………… 48

第3章 气动弹性静力学……………………………………………………………………… 49

3.1 发 散…………………………………………………………………………………… 49

3.1.1 发散的基本原理…………………………………………………………………… 49

3.1.2 翼根固支机翼的扭转发散………………………………………………………… 51

3.1.3 发散工程分析方法………………………………………………………………… 54

3.1.4 影响发散分析结果的因素………………………………………………………… 55

3.2 载荷重新分布…………………………………………………………………………… 55

3.2.1 载荷重新分布的基本原理………………………………………………………… 56

3.2.2 梁根固支机翼的载荷重新分布…………………………………………………… 57

3.2.3 载荷重新分布工程分析方法……………………………………………………… 59

3.3 机翼后(前)掠角对静气动弹性的影响………………………………………………… 62

3.4 操纵效率及操纵反效…………………………………………………………………… 64

3.4.1 基本现象…………………………………………………………………………… 65

3.4.2 长直机翼的副翼效率及反效……………………………………………………… 67

3.4.3 操纵效率的一般表述方式………………………………………………………… 70

3.5 热效应对气动弹性的影响……………………………………………………………… 70

3.5.1 气动热与气动弹性的耦合关系…………………………………………………… 71

3.5.2 高超声速气动热的计算方法……………………………………………………… 71

3.6 静气动弹性试验………………………………………………………………………… 72

3.6.1 静气动弹性模型的发散试验……………………………………………………… 72

3.6.2 飞行载荷测量试验………………………………………………………………… 73

思考题及练习题……………………………………………………………………………… 74

参考文献……………………………………………………………………………………… 74

第4章 气动弹性动稳定性…………………………………………………………………… 76

4.1 颤振的机理……………………………………………………………………………… 76

4.1.1 振动的观点………………………………………………………………………… 77

4.1.2 数学的观点………………………………………………………………………… 79

4.1.3 能量的观点………………………………………………………………………… 80

4.1.4 反馈的观点………………………………………………………………………… 82

4.2 典型翼段的颤振理论…………………………………………………………………… 83

4.2.1 基于定常气动力理论的颤振计算………………………………………………… 84

4.2.2 基于准定常气动力理论的颤振计算……………………………………………… 85

4.2.3 基于非定常气动力理论的颤振计算……………………………………………… 87

4.3 颤振行列式的求解……………………………………………………………………… 88

4.3.1 解颤振方程的V g 法…………………………………………………………… 88

4.3.2 解颤振方程的p k 法…………………………………………………………… 90

4.4 影响颤振稳定性的参数………………………………………………………………… 92

4.5 大展弦比机翼的颤振分析……………………………………………………………… 93

4.5.1 大展弦比直机翼的颤振分析……………………………………………………… 93

4.5.2 大展弦比后掠机翼的颤振分析…………………………………………………… 95

4.6 小展弦比翼面的颤振分析……………………………………………………………… 96

4.6.1 小展弦比翼面的颤振运动方程…………………………………………………… 96

4.6.2 小展弦比机翼的颤振计算………………………………………………………… 97

4.7 操纵面颤振……………………………………………………………………………… 98

4.8 壁板颤振……………………………………………………………………………… 101

4.9 非经典颤振及抖振…………………………………………………………………… 103

4.9.1 嗡鸣(跨声速舵面颤振)………………………………………………………… 103

4.9.2 失速颤振………………………………………………………………………… 104

4.9.3 抖 振…………………………………………………………………………… 105

4.10 飞行器的防颤振设计………………………………………………………………… 107

4.10.1 防颤振设计概要………………………………………………………………… 107

4.10.2 基本的飞机颤振分析…………………………………………………………… 108

4.10.3 飞机结构强度规范中防颤振设计的内容……………………………………… 109

4.11 基本的飞机颤振试验………………………………………………………………… 111

4.11.1 地面振动试验…………………………………………………………………… 111

4.11.2 颤振模型风洞试验……………………………………………………………… 112

4.11.3 飞行颤振试验…………………………………………………………………… 113

思考题及练习题……………………………………………………………………………… 115

参考文献……………………………………………………………………………………… 116

第5章 气动弹性动力响应…………………………………………………………………… 117

5.1 气动弹性动力响应分析的一般方程………………………………………………… 117

5.2 动力响应问题的一般解法…………………………………………………………… 117

5.2.1 脉冲响应与阶跃响应…………………………………………………………… 117

5.2.2 简谐激励的响应………………………………………………………………… 119

5.2.3 任意非周期激励的响应………………………………………………………… 120

5.2.4 随机振动及统计特性…………………………………………………………… 123

5.3 大气扰动:紊流与离散突风…………………………………………………………… 125

5.3.1 紊 流…………………………………………………………………………… 125

5.3.2 离散突风………………………………………………………………………… 126

5.4 任意运动和突风引起的非定常气动力……………………………………………… 127

5.4.1 简谐运动引起的非定常气动力:Theodorsen函数…………………………… 128

5.4.2 阶跃迎角引起的非定常气动力:Wagner函数………………………………… 129

5.4.3 正弦突风引起的非定常气动力:Sears函数…………………………………… 130

5.4.4 陡沿突风引起的非定常气动力:Küssner函数………………………………… 131

5.4.5 一般升力面的突风非定常气动力……………………………………………… 131

5.5 离散突风响应分析…………………………………………………………………… 133

5.5.1 刚性飞机的离散突风响应……………………………………………………… 133

5.5.2 长直机翼的离散突风响应……………………………………………………… 140

5.5.3 弹性飞机的离散突风响应……………………………………………………… 144

5.6 大气紊流响应分析…………………………………………………………………… 150

5.6.1 典型翼段的大气紊流响应……………………………………………………… 150

5.6.2 弹性飞机的大气紊流响应……………………………………………………… 152

5.7 弹性飞机动态机动响应分析………………………………………………………… 156

5.7.1 机动过程与机动载荷…………………………………………………………… 156

5.7.2 动态机动响应分析方法………………………………………………………… 157

5.7.3 动态机动响应分析实例………………………………………………………… 160

思考题及练习题……………………………………………………………………………… 163

参考文献……………………………………………………………………………………… 164

第6章 具有结构非线性的气动弹性………………………………………………………… 165

6.1 概 述………………………………………………………………………………… 165

6.1.1 集中参数非线性………………………………………………………………… 166

6.1.2 分布参数非线性………………………………………………………………… 167

6.1.3 相关数学知识…………………………………………………………………… 167

6.2 立方刚度非线性……………………………………………………………………… 171

6.2.1 二元翼段模型及其线性化……………………………………………………… 172

6.2.2 非定常涡方法…………………………………………………………………… 173

6.2.3 非线性颤振特性………………………………………………………………… 175

6.3 间隙与摩擦非线性…………………………………………………………………… 180

6.3.1 间隙非线性……………………………………………………………………… 180

6.3.2 库仑摩擦………………………………………………………………………… 181

6.3.3 库仑摩擦间隙…………………………………………………………………… 182

6.3.4 工程分析的考虑………………………………………………………………… 183

6.4 大变形机翼的气动弹性……………………………………………………………… 183

6.4.1 结构大变形……………………………………………………………………… 184

6.4.2 曲面气动力……………………………………………………………………… 188

6.4.3 气动弹性分析方法……………………………………………………………… 190

6.4.4 算例研究………………………………………………………………………… 192

思考题及练习题……………………………………………………………………………… 198

参考文献……………………………………………………………………………………… 198

第7章 气动伺服弹性力学…………………………………………………………………… 199

7.1 气动伺服弹性力学概述……………………………………………………………… 199

7.1.1 气动伺服弹性问题的由来……………………………………………………… 199

7.1.2 气动伺服弹性的分类与内容…………………………………………………… 200

7.1.3 气动伺服弹性的分析与综合…………………………………………………… 201

7.1.4 系统的稳定性概述……………………………………………………………… 201

7.1.5 气动伺服弹性运动方程概述…………………………………………………… 202

7.2 气动伺服弹性分析———频域方法…………………………………………………… 203

7.2.1 气动伺服弹性系统的频域分析模型…………………………………………… 203

7.2.2 频域稳定性分析………………………………………………………………… 205

7.2.3 频域连续阵风响应分析………………………………………………………… 209

7.3 气动伺服弹性分析———时域方法…………………………………………………… 211

7.3.1 状态空间方法概述……………………………………………………………… 211

7.3.2 气动伺服弹性系统的状态空间模型…………………………………………… 212

7.3.3 状态空间方法稳定性分析……………………………………………………… 216

7.3.4 鲁棒稳定性分析………………………………………………………………… 217

7.4 气动伺服弹性综合…………………………………………………………………… 221

7.4.1 颤振主动抑制技术……………………………………………………………… 222

7.4.2 阵风减缓主动控制……………………………………………………………… 223

7.4.3 控制律设计简介………………………………………………………………… 224

7.4.4 主动气动弹性机翼技术………………………………………………………… 227

7.5 气动伺服弹性不利因素的排除……………………………………………………… 229

思考题及练习题……………………………………………………………………………… 230

参考文献……………………………………………………………………………………… 230

第8章 气动弹性计算工程实例……………………………………………………………… 231

8.1 气动弹性工程计算分析概述………………………………………………………… 231

8.2 静气动弹性工程计算分析实例……………………………………………………… 233

8.2.1 建模及计算方法………………………………………………………………… 233

8.2.2 发散工程计算分析实例………………………………………………………… 235

8.2.3 飞行载荷工程计算分析实例…………………………………………………… 240

8.3 颤振工程计算分析实例……………………………………………………………… 243

8.3.1 建模及计算方法………………………………………………………………… 243

8.3.2 颤振分析实例…………………………………………………………………… 244

8.4 突风响应工程计算分析实例………………………………………………………… 247

8.4.1 计算方法………………………………………………………………………… 247

8.4.2 离散突风响应分析实例………………………………………………………… 248

8.5 气动伺服弹性工程计算分析实例…………………………………………………… 251

8.5.1 计算方法………………………………………………………………………… 252

8.5.2 气动伺服弹性稳定性分析实例………………………………………………… 254

思考题及练习题……………………………………………………………………………… 258

参考文献……………………………………………………………………………………… 258