帶操縱面的垂尾跨音速顫振模型設(shè)計

張婷婷

中國商飛上海飛機設(shè)計研究院強度設(shè)計研究部

帶操縱面的垂尾跨音速顫振模型設(shè)計

張婷婷

中國商飛上海飛機設(shè)計研究院強度設(shè)計研究部

以某型飛機垂尾為研究對象，設(shè)計了帶方向舵的垂尾跨音速顫振風洞試驗?zāi)Ｐ?，并通過地面振動試驗對其進行驗證。研究表明，模型可以準確模擬垂尾剛度，方向舵旋轉(zhuǎn)剛度穩(wěn)定，模型取得了較好的試驗效果。

飛機操縱面由于其結(jié)構(gòu)本身和操縱的復(fù)雜性，以及氣動力不易準確獲得等特點，氣動彈性問題更加突出一些，跨音速模型風洞試驗?zāi)壳笆穷澱裨囷w前驗證飛機跨音速顫振特性的唯一途徑。因此，研究操縱面參與的顫振問題時，需要考慮帶操縱面的跨音速顫振模型設(shè)計。

某型飛機的垂尾亞音速顫振分析表明，臨界顫振型為方向舵旋轉(zhuǎn)與垂尾一彎、二彎耦合的爆發(fā)型顫振。為研究其在跨音速區(qū)的顫振特性，本文設(shè)計了一套帶方向舵的垂尾跨音速顫振風洞試驗?zāi)Ｐ?，并通過地面振動試驗對模型的合理性進行了驗證。

模型設(shè)計

跨音速顫振模型結(jié)構(gòu)需要滿足一定的剛度和強度要求，并且具有合適的結(jié)構(gòu)重量占比，方便配重。金屬結(jié)構(gòu)剛度容易控制，便于連接，但是重量較重，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)則具有比強度、比剛度高及可設(shè)計性強等重要優(yōu)點，本文綜合使用了金屬材料和復(fù)合材料，設(shè)計了“空心金屬梁+復(fù)合材料維形”的梁架式結(jié)構(gòu)（圖1），由空心金屬梁提供主要剛度，蒙皮、泡沫等復(fù)合材料維形結(jié)構(gòu)提供部分剛度，并模擬垂尾外形，具有較高的結(jié)構(gòu)效率，模型無超重，且滿足剛度、強度要求。

圖1　模型安定面結(jié)構(gòu)示意圖

帶方向舵的垂尾模型的設(shè)計難點在于方向舵的連接，在重量受控的前提下，不僅要準確模擬方向舵的旋轉(zhuǎn)剛度，還要保證連接件具有足夠的強度。本文設(shè)計的模型用3個板彈簧連接方向舵，3個金屬連接件一端固定在安定面的金屬梁上，另一端通過3個板彈簧連接方向舵梁，旋轉(zhuǎn)剛度由板彈簧提供。除模擬基準旋轉(zhuǎn)頻率的一組板彈簧外，還設(shè)計了另外三組板彈簧，用以模擬方向舵旋轉(zhuǎn)頻率變參。方向舵連接形式示意圖見圖2。

模型地面振動試驗

模型加工完成后進行了地面振動試驗，目的是驗證模型對于理論設(shè)計結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的符合性。試驗照片見圖4。模型的各階模態(tài)頻率的理論結(jié)算值與試驗值偏差見表1，均在±5%以內(nèi)，滿足工程誤差的要求。試驗結(jié)果表明，模型的動力學(xué)特性與理論設(shè)計要求值基本符合。

表1　B模型的模態(tài)頻率

測試方向舵旋轉(zhuǎn)頻率時，逐步加大激振力，測試旋轉(zhuǎn)頻率是否穩(wěn)定，圖4為四組板彈簧方向舵旋轉(zhuǎn)頻率隨激振力變化示意圖（其中，等效旋轉(zhuǎn)頻率=方向舵測試頻率/基準旋轉(zhuǎn)頻率，），結(jié)果表明，四組彈簧片的方向舵旋轉(zhuǎn)頻率隨激振力變化一直保持穩(wěn)定，連接結(jié)構(gòu)無間隙，有效模擬了設(shè)計旋轉(zhuǎn)剛度。

結(jié)語

本文設(shè)計了帶方向舵的垂尾跨音速顫振風洞試驗?zāi)Ｐ?，重點研究了方向舵的連接形式，并通過地面振動試驗對其進行了驗證。試驗結(jié)果表明：使用3個板彈簧連接方向舵，能有效克服模型間隙，方向舵旋轉(zhuǎn)頻率穩(wěn)定，獲得了較好的試驗效果，在以后的跨音速顫振模型中可以繼續(xù)考慮使用板彈簧這種操縱面連接形式。

圖2　模型方向舵連接件示意圖

圖3　模型地面振動試驗

圖4　方向舵旋轉(zhuǎn)頻率隨激振力變化示意圖

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.003