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1、第2 8 卷第2 期2 0 0 7 年3 月航空学报A C T AA E R()N A U T I C AE TA S T R()N A U T I C AS 1 N I C AV 0 1 2 8No 2M a r 2 0 0 7文章编号：1 0 0 06 8 9 3(2 0 0 7)0 20 3 0 90 5满足固有频率和振型要求的复合材料翼面结构动力学设计章怡宁，朴春雨(沈阳飞机设计研究所，辽宁沈阳1 1 0 0 3 5)C o m p o s i t eW i n gS t r u c t u r eD y n a m i c sD e s i g nS u b j e c t e dt
2、 oR e q u i r e m e n t so fN a t u r a lF r e q u e n c ya n dP o s i t i o no fN o d a lL i n eZ H A N GY i n i n g，P I A OC h u n y u(S h e n y a n gA i r c r a f tD e s i g na n dR e s e a r c hI n s t i t u t e，S h e n y a n g11 0 0 3 5，C h i n a)摘要：就满足固有频率和振型要求的翼面结构动力学设计问题提出了一种有效的工程解决方法，并且应用于实
3、际的型号设计。试验结果表明，机翼结构的设计满足了设计要求。其解决过程对于新机设计或用复合材料替换金属结构的等效刚度设计均有重要的指导意义。关键词：航空器结构与设计；结构动力学；同有频率；振型；复合材料中图分类号：V 2 1 4文献标识码：AA b s t r a c t：A ne f f e c t i v ce n g i n e e r i n gs 0 1 u t i o ni sd e v e l o p e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dp o s i
4、t i o n so fn o d a ll i n e sf o rc o m p o s i t ew i n gs t r u c t u r ed y n a m i c sd e s i g n，a n da p p l yt ot h ea c t u a la i r c r a f td e s i g n T h er e s L l I t so ft h ee x p e r i m e n ts h o wt h a tt h ed e s i g no ft h ew i n gs t r u c t u r es a t i s“e st h ed e s i g
5、nr e q u i r e m e n t s T h es o I v i n gp r o c e s si so fi m p o r t a n ti n s t r u c t i v e n e s st on e wa i r c r a f td c s i g no rs t i f f n e s se q u i v a l e n td e s i g ni nr e p l a c i n gm e t a l sw i t hc o m p o s i t e s K e yw o r d s：a i r c r a f ts t r u c t u r ea n
6、 dd e s i g n；s t r u c t u r ed y n a m i c s；n a t u r a lf r e q u e n c y；n o d a l l i n e；c o m p o s i t em a t e r i a l飞机结构在气动力和惯性力作用下发生静、动态弹性变形，而弹性变形又会反过来影响作用在飞机上的气动力、惯性力和弹性力。这种气动力、惯性力和弹性变形(弹性力)的交互作用，称为气动弹性效应，它往往会直接影响飞机的飞行品质、性能和安全 1 。因此在翼面结构设计中为满足气动弹性要求，通常要求翼面结构的固有频率和振型等动力学特性满足规定的要求。文献 2 4
7、 就有关满足频率、振型节线要求的结构动力学设计问题进行了相关的研究，本文则根据工程实际问题某型飞机翼面结构由金属换用复合材料结构所引起的相关设计问题，提出了满足动力学设计要求的工程解决方法，并在型号应用中得到验证。该机翼的主要变化是：机翼上下蒙皮由原来的金属蒙皮替换为复合材料蒙皮，替换范围见图1 所示阴影区域。设计要求是：金属蒙皮替换为复合材料蒙皮后，机翼的刚度等效。收稿日期：2 0 0 6 一0 82 8：修订日期：2 0 0 6 1 13 0通讯作者：章怡宁E m a i l：z y n 6 0 1 Y e a h n e t网1 蒙皮替换示意阁F i g 1T h ea r e ao f
8、s k i nr 印l a c e d1 分析依据和策略1 1用三向刚度法确定等效刚度的铺层初值为满足刚度等效的设计要求，在设计过程中首先采用了三向刚度等代的方法，对金属蒙皮进行初步替换，完成第1 轮复合材料铺层设计。其目的是得到较满意的铺层初始值，以便加快后续动力学设计的收敛。万方数据 万方数据第2 期章怡宁等：满足固有频率和振型要求的复合材料翼面结构动力学设计图2 设计流程F i g 2T h ed e s i g np r o c e s s图3 计算模型F i g 3T h ec a l c u l a t i n gm o d e l2 1 边界条件处理对边界条件模拟时，在机翼根肋处
9、增加过渡盒段来模拟机翼与中央翼的梳状对接。为保证过渡盒段能够准确地模拟中央翼的支持刚度，采取了以下措施：以过渡盒段梁(模拟中央翼翼肋)的突缘和腹板为变量，进行固有频率的敏度分析，通过敏度分析，调整支持盒段的刚度，使计算模型的频率和节线与全机实测频率和节线处于误差范围之内，从而保证过渡盒段能够准确地模拟中央翼的支持刚度。2 2 翼尖外挂的模拟翼尖外挂使用梁元模拟，并使用梁元在第1，2，3 纵墙处与机翼连接。翼尖外挂的质量分配按固有特性不变和保证力学等效的原则分配到第1，2，3 墙及重心前一点P 上，见图4。在以后的计算分析和全机地面共振试验中发现，翼尖外挂对机翼的固有频率、模态有十分重要的影响。
10、1L 2L3L 4第l 纵墙第2 纵墙 第3 纵墙，I重心一F吃认墨图4 翼尖外挂质量分酉己F i g 4T h em a s sa l l o c a t i o no fw i n gt i ph a n g i n g2 3 质量分布(除翼尖外挂)结构质量分配过程中，在模型节点质量、结构集中质量和机翼实际质量之间以系数志建立以下关系V 矿机翼实际质量一w 结构集中质量+忌芝二w 模型节点质量将(尼一1)W 模型节点质量作为模型节点附加质量元，保证了模型质量与机翼实际质量一致。本次计算中，忌一1 3 3 45。质量分配后，重量、重心对比情况见表3，由表3 可看出模型的质量分布与实际结构十分
11、接近。表3 重量、重心情况T a b l e 3T h ew e i g h t sa n dt h ec e n t e r so fg r a v i t y2 4固有频率、模态对比计算在完成金属模型校验的基础上，对金属模型及复合材料模型进行了固有频率、模态计算，分别计算了3 种情况并做了3 组对比。绘制了1，2，3，4 阶模态的节线。节线是根据模型节点形态值的计算结果通过插值计算求得一系列零点绘制而成的。3 种情况：金属模型：见图5。复合材料模型1：采用与金属模型相同的质量分布未减重。复合材料模型2：在复合材料模型1 的基础上，采用实际复合材料机翼模型的质量分布，减重6 5 6 3k g
12、。见图6。3 组对比：金属模型计算结果与实测结果的对比，见表4。万方数据靛空学报繁2 8 卷金属模型与复合材料模懋1 对比：验证祝翼剐度的等有效性，觅表5。金属模型与复合材料模烈2 对比：对比机翼嘲有频率、模态的变化，见表5。节线对比图见图7。F _-g|8濑4T a b l e4篷s 金矮蒺型振动壤怒瓢g。ST 耗em。d s b p e so fm 娃a m o d e 鼹6 复合耪辩挨整掇秘横恣T h em o d es h a p e s。fc o m p o s i t em a t e r i a lm o d e l金属模型计算频率与实刺獭辩对比(H z)T h ef r e q
13、 u 蛐c yc o m p a r i s o n sb e“v e e na n a l y s i sa n dt 幅to fm e t a lm o d e I(H z)于篝篷实测攮误差l 输频率瘁。7 24 8 0 80。1 8 42 阶颇攀1 0，l 2i O。2 3 2e+0 4 03 阶频率】S。5 莲毒1 4+2 0 02。3 4 44 阶频率2 3 1 4 连2 0 0 0 83 j 3 6袭5 金属模型与复合材料模型计辣獭濑对比(H z)T a b l eST h ef r e q u e n c yc o m p a r i s o n sb e t w 梯na n a
14、 I y s e s0 fc o m p o s i t em a t e r i a Im o d e Ia n dm e t a Im o d e I(H z)舞7簪线薅院蘑F i g 7T h ee o m p a r i s o 菇s。f h ep。s i；o n so f n o 蠢a ll i n e s3 结果分析与结论计算与试验结果的对比说明，金属模烈的1阶、2 阶频率、模态计算结果与试验结果的吻合程度较好，丽3 阶以上频率相差较大。其原凶魁中央翼对税翼的支持剐度模拟的不够真实。想翡3簖模态瓣节线形态逐是捃钕酶，姨撬翼豳有特性方面说龋骈建立的金属模型是吃较冀实可靠酶。复合材料模
15、型】与金震模型的计算缝聚无论在频率逐魁在节线上都十分接近，表明簸合材料机翼与金属机黧的刚度是等效的。复合材料模型2 与金属模型相比，刚度等效，但减重6 5 6 3k g，这是导致复合材料模型2 计算频率偏嵩的原因。该模型的固有频率的计算结果与全撬共振斌骏酶实渊结果毙较符合，觅表巷。模型l，2 帮实袋了与金震橇翼静等效澍度分布，达到了规定的渤力学设诗要求。表6 筮禽材料模型2 计算频率与实测频犟对弥 H z)T a b I e 6，l h ef r e q u e n c yc o m p a r i s o n sb e t w e e na n a l y s e sa n dt e s t
16、0 fc o m p o s i t em a t e r i a lm o d e l2(H z)后续的全搬气动弹往分橱表鹱，按上述方案 万方数据 万方数据满足固有频率和振型要求的复合材料翼面结构动力学设计满足固有频率和振型要求的复合材料翼面结构动力学设计作者：章怡宁，朴春雨，ZHANG Yi-ning，PIAO Chun-yu作者单位：沈阳飞机设计研究所,辽宁,沈阳,110035刊名：航空学报英文刊名：ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICA年，卷(期)：2007,28(2)参考文献(5条)参考文献(5条)1.崔德刚;丁桂珍;唐清 按刚度要求复合材料铺层设计总结报告 19822.李书;孙忠凯;张放 基于矩阵逆特征值法的结构动力学设计期刊论文-北京航空航天大学学报 2002(01)3.陈淮海;周传荣 一种满足多阶固有频率和节线位置等要求的结构动力学设计方法 1996(01)4.向锦武;张呈林;周传荣 有频率、振型节线位置要求的结构动力学优化设计期刊论文-计算结构力学及其应用1995(04)5.飞机设计手册编委会 飞机设计手册 2003 本文链接：http:/