测量大型、自适应柔性机翼的动力学特性
发布日期:2020-09-08 15:10:18

第七届欧洲框架计划的SADE项目(新一代机翼的增升装置),旨在提升飞机在飞行过程中尤其是着陆时的空气动力性能、燃油经济性及降低噪音和排放。

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图1带有智能板和运动控制机构的被测结构的有限元模型

 

该项目研究了大量自适应控制概念。由DLR和空客集团(前身为EADS)的德国专家们开发的一种方案,可直接连接到机翼盒段上的自适应、智能渐变桁条或前缘结构(图1)。

 

这一概念的重要一步是创建一个带有渐变桁条的大型的机翼段,在大型低速风洞中(TsAGI 101)对其进行测试(图2)。三段自适应桁条包括由增强型玻璃纤维塑料制成的弹性增强蒙皮。

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图2风洞内的机翼模型(1 -自适应桁条、2 -沉箱、3 -襟翼、4 –翼翅、5 –导流罩、6 -气动支撑、7 -气动失速刻度)

 

作为非常复杂的计算和试验工作的一部分,来自俄罗斯国家研究中心的空气流体动力学中心的专家们参与了设计和制造风洞天平的模型测试,并确定了翼型的动力学特性和静态刚度参数。这项工作不仅与测量气动弹性现象(颤振、冲击等)的风洞测试的安全要求有关,而且对于使用试验方法来确定模型的自然频率和模态振型来验证CAD几何和有限元模型(NASTRAN)来说,是非常必要的。

 

试验时,为了达到所需的边界条件,模型两侧分别使用弹性绳悬挂在桥式起重机上(图3)。

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图3. 模型频率实验的弹性支承系统

 

通过两种不同的方法来确定样机的主要动态参数:

 

·  接触式方法:使用电动激振器几何接触式传感器来测量振动,利用标准步进正弦信号进行测试。

· 非接触式方法:使用激光多普勒测振仪(LDV)来测量振动,由内置力传感器的冲击力锤提供脉冲激励。

 

接触式方法采用普罗德拉公司的EX220SC电动激振器对结构进行激励,使用LMS SCADAS III / Stepped Sine LMS软件结合PCB 333V32接触式传感器来记录结构的动态特性。 

非接触式方法采用的是德国Polytec公司的PSV-400-H4扫描式激光测振仪(现已升级至PSV-500系统,具有更佳的光学灵敏度和测量精度),使用PCB 086E80冲击力锤敲击结构的金属部件或加强筋,激发结构振动。

如图4所示,第三行是使用NASTRAN计算出的模型的自然模态;与第一行的非接触式方法和第二行的接触式测量方法获得的数据进行了对比。

本试验旨在确定模型的前20阶自然模态,从而改进仿真模型。结果显示,计算值与试验方法获得的实验值之间的偏差不超过6.5%。

通过对两种测试方法的比较,可以看出激光多普勒测振仪在技术和经济上的优越性。

接触式的相位谐振方法需要2名工程师和2名技师共同工作13天,而Polytec的非接触式扫描式激光测振系统PSV-400-H4仅需2名工程师工作5天,无需技师便可获得满意的试验数据。


前缘,绕x轴的对称一阶扭转

绕z轴的对称的机翼一阶弯曲模态

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图4仿真和试验获取的结构模态振型的比较


开缝襟翼的对称一阶扭转,及与支撑结构的对称一阶扭转耦合

后缘,绕z轴不对称的一阶弯曲模态

侧构件支撑的水平二阶弯曲模态

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