折疊翼間隙對其顫振特性影響的試驗研究

雷博淇， 冉玉國， 李秋彥， 孔斌， 張召明

(1.成都飛機設計研究所, 成都610091;2.南京航空航天大學, 南京210016)

折疊翼間隙對其顫振特性影響的試驗研究

雷博淇1， 冉玉國1， 李秋彥1， 孔斌1， 張召明2

(1.成都飛機設計研究所, 成都610091;2.南京航空航天大學, 南京210016)

折疊翼飛行器是一種可以在飛行中改變自身氣動外形的新型飛行器，折疊翼的折疊機構不可避免地帶有間隙，間隙對折疊翼的固有振動特性和顫振特性會產生影響。通過設計合理的含間隙折疊機翼顫振模型，并通過低速風洞顫振試驗研究其低速顫振特性，測試間隙對折疊機翼顫振特性的影響。試驗結果表明：外翼折疊角度越大顫振速度越高，折疊翼無間隙工況下的顫振速度高于有間隙工況下的顫振速度，有間隙工況顫振速度比無間隙時降低約4%。

折疊機翼;間隙;顫振特性

引言

隨著科技進步，各類飛行器已經廣泛使用于多個領域。目前使用的各類飛行器中大多數為固定翼結構，這類結構對飛行器的貯存、運輸帶來不便，而折疊翼可以最大限度地減小所需空間[1-3]，同時，通過改變機翼外形能有效提高飛機的氣動性能和經濟性，協調低速飛行與高速飛行的矛盾[4-5]。

折疊翼在折疊過程中，機翼所受的非定常氣動力、慣性特性及剛度特性都隨機翼的折疊而發生改變，不同的折疊構型具有不同的顫振特性[6]。折疊翼機翼分為內翼和外翼兩部分，內翼與機身結構連成一體，外翼與內翼上下表面分離面處設置鉸鏈[7]。折疊翼的折疊機構復雜，不可避免地存在系統間隙，但間隙對機翼顫振特性的影響尚不清楚。另一方面折疊翼面變形后，氣動力的非定常效應顯著[8]，折疊機翼的氣動特性復雜。目前，國內外的學者分別在折疊機翼的機構設計[1-6]和間隙的顫振影響方面做過不少研究[9-10]，但結合折疊機翼和間隙兩方面的研究很少，也缺少相關試驗的研究。

本文旨在通過設計合理的含間隙折疊翼顫振模型并開展風洞試驗，研究不同折疊角及間隙對折疊翼的顫振特性的影響，為飛機的顫振設計提供參考。

1試驗模型設計

1.1折疊翼模型結構介紹

本次試驗模型的設計有兩個考慮：首先保證模型的顫振易發生，且不損壞；其次，在一定的經費限制下，通過合理的制造和試驗方案，降低成本。

模型由內外梯形翼通過軸承機構連接，外翼可旋轉折疊，設計不同的轉軸控制外翼折疊角度、不同的限位器控制外翼間隙大小，如圖1所示。通過這些簡單易行的結構設計，可降低模型的制造難度，進而降低項目經費。

圖1折疊翼模型結構示意圖

根據國標中的規定，折疊翼的間隙不超過0.25°，這么小的角度不易保持和測量，通過限位桿將外翼的旋轉間隙放大為位移間隙。

1.2數值分析

數值分析的目的在于，初步得到折疊機翼不含間隙情況下的顫振特性，為下一節合理的設計試驗方案打好基礎，數值模擬中得到的折疊翼振動頻率和顫振速度可作為GVT試驗和風洞試驗的參考依據，也可以和最后的試驗結果比較，驗證數值模型的準確性。本文的數值分析使用有限元軟件Natsran計算折疊機翼的振動和顫振特性。折疊機翼模型固有振動特性及顫振特性見表1。

表1折疊機翼固有振動特性和顫振特性分析結果

2試驗方案設計與實施

根據試驗風洞的速壓帶設計合理的顫振模型，使其顫振速度保持在風洞速壓帶中間偏上位置，即模型顫振速度在50～70 m/s之間，這既可以保證模型安全，使模型不在試驗初始階段就發生破壞，又可以使試驗在盡可能低的風速下完成，達到經濟高效的目的。

2.1GVT試驗

GVT試驗用于檢測模型是否達到設計目標，GVT試驗了折疊角度分別為0°、30°、60°三種工況，其中折疊角度30°的模型如圖2所示，模型前三階振型如圖3所示，試驗結果與計算結果比較見表2。

圖2外翼折疊30度工況模態試驗

圖3外翼折疊30模型前三階振型

折疊角度模態名稱計算頻率/Hz試驗頻率/Hz0度機翼一彎2 692 75外翼旋轉7 636 75機翼一扭12 0912 530度機翼一彎2 792 29外翼旋轉7 106 64機翼一扭11 6911 0160度機翼一彎2 982 47外翼旋轉5 945 46機翼一扭10 029 11

模態試驗表明，模型各工況計算頻率與試驗頻率相差不大，達到設計目標，可進行下一步試驗。

2.2顫振風洞試驗

顫振風洞試驗工況見表3，表中所列為初步計劃的試驗狀態，實際試驗狀態需根據試驗現場情況調整。每一個外翼折疊角度，調整不同的間隙，組成不同的吹風狀態。

表3風洞試驗工況

外翼折疊角度的調整通過更換不同的轉軸來實現，不同的轉軸只是開孔位置不同，僅用于改變外翼折疊角度，轉軸的材質和尺寸相同，保證試驗的連續性和可對比性。顫振風洞試驗時，首次試驗初始風速50 m/s，風速的最小步長取0.5 m/s，直至模型吹至顫振亞臨界或者臨界為止，風洞試驗如圖4～圖5所示。模型根部粘貼應變片，在風洞試驗過程中，監測模型振動信號，判斷模型是否發生顫振。典型的監控信號如圖6～圖7所示。模型的保護是通過外翼翼稍處連接保護鋼絲繩索，吹風至亞臨界時，收緊鋼絲繩索，改變模型的動力特性，使其脫離顫振亞臨界狀態。

圖4外翼折疊0度風洞試驗示意圖

圖5外翼折疊60度風洞試驗示意圖

圖6振動信號波形圖

圖7振動信號頻譜圖

3試驗結果與分析

風洞試驗中，當模型發生顫振時，翼面的響應迅速增大，應變片的時域信號呈現發散趨勢，振動信號在紅線區域內逐步增大，參與顫振的主要模態分支逐漸靠近，最終變為單一顫振模態，模型頻率出現穩定單峰狀態，表明此時顫振發生。隨后風洞關車，振動衰減。各工況模型試驗結果如圖8所示。

圖8含間隙折疊翼顫振試驗結果

顫振風洞試驗結果表明，隨著外翼角度的增大，模型顫振速度升高，這是因為外翼角度增大，整個機翼的展弦比減小，因此顫振速度提高。

折疊機翼的間隙增大，顫振速度不一定降低，要結合機翼折疊角度分析，間隙和顫振速度之間不是簡單的線性關系。

試驗結果顯示，無間隙情況下機翼的顫振速度高于有間隙情況下，隨著間隙增大顫振速度迅速降低；折疊機翼的間隙，在國標要求間隙的2倍內，顫振速度維持在一定水平，變化很小；機翼有間隙時顫振速度比無間隙時降低約4%。國標規定折疊翼間隙不大于0.25°，小于0.25°的間隙看作小間隙，大于0.25°的作為大間隙，小間隙工況和大間隙工況下，顫振速度相差不大，相差不到1%。

4結論

本次試驗通過設計含間隙折疊機翼低速顫振試驗模型，國內首次通過風洞試驗探索性地研究了含間隙折疊機翼的顫振特性，并得到以下幾條結論：

(1) 外翼折疊角度增大，顫振速度升高。

(2) 折疊翼的間隙增大，顫振速度不一定降低，間隙和顫振速度之間不是簡單的線性關系。

(3) 無間隙情況下折疊翼的顫振速度高于有間隙情況，隨著間隙增大，折疊翼的顫振速度迅速降低，然后在一定間隙范圍內，維持在一定水平。

(4) 折疊翼有間隙時顫振速度比無間隙時降低約4%。

(5) 小間隙工況和大間隙工況下，顫振速度相差不大，速度差距不到1%，在折疊翼飛機設計制造過程中，不必為了刻意減小間隙，從而帶來高昂的制造成本。

[1] 鐘世宏,王占利.無人機折疊翼的相關設計與研究[J].無人機,2012,92(1):45-46.

[2] 鐘世宏,孫巍,張崇耿.新型可折疊翼板展開機構的設計及動力學研究[J].航天制造技術,2013,10(5):17-20.

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[5] 董文俊,孫秦.折疊翼變體飛機的傳動機構設計和驅動方式優化分析[J].航空工程進展,2011,2(1):84-88.

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[9] TANG D M,DOWELL E H.Experimental aeroelastic response for a freeplay control surface in buffeting flow[J].AIAA Journal,2013,51(12):2852-2861.

[10] LI Y,YANG Z C.Uncertainty quantification in flutter analysis for an airfoil with perloaded free play[J].Journal of Aircraft,2010,47(4):1454-1457.

Experimental Study of the Flutter Characteristics for Folding Wing with Rotating Freeplay

LEIBoqi1,RANYuguo1,LIQiuyan1,KONGBin1,ZHANGZhaoming2

(1.Chengdu Aircraft Design and Research Institute, Chengdu 610091, China; 2.Nanjing University of Aeronautics andAstronautics, Nanjing 210016, China)

The folding wing aircraft is a new type vehicle which can change its aerodynamic shape in flight. The appearance of freeplay is not be avoid in its folding structure. The reasonable flutter folding wing model with rotating freeplay is designed, whose low-speed flutter characteristics will be tested on low-speed wind tunnel, and the effect of the rotating freeplay on the flutter characteristics of folding wing is obtained. The experimental results show that the larger folding angle of outboard wing provides higher flutter speed, and the flutter speed in the case with rotating freeplay is lower than that of the case without rotating freeplay, the flutter speed in the case with rotating freeplay is lower about 4% than that of the case without rotating freeplay.

folding wing; rotating freeplay; flutter characteristics

2016-12-06

雷博淇(1986-),男,工程師,主要從事氣動彈性方面的研究,(E-mail)nasa0012@sina.com

1673-1549(2017)03-0031-04

10.11863/j.suse.2017.03.07

V216.2+4

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