波阵风中的弹性飞机动力学建模与仿真

doi:10.7527/S1000-6893.2022.28214

固体力学与飞行器总体设计

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波阵风中的弹性飞机动力学建模与仿真

王立波¹, 荆志伟¹, 唐矗²()

^1.航空工业第一飞机设计研究院，西安　710089
^2.西北工业大学无人系统技术研究院，西安　710072

收稿日期:2022-11-02 修回日期:2022-11-22 接受日期:2023-01-03 出版日期:2023-02-06 发布日期:2023-02-06
通讯作者: 唐矗 E-mail:tc@nwpu.edu.cn

Modelling and simulation of flexible aircraft in blast wind

Libo WANG¹, Zhiwei JING¹, Chu TANG²()

^1.The First Aircraft Institute，Aviation Industry Corporation of China，Ltd. ，Xi’an 　710089，China
^2.Unmanned System Research Institute，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 　710072，China

Received:2022-11-02 Revised:2022-11-22 Accepted:2023-01-03 Online:2023-02-06 Published:2023-02-06
Contact: Chu TANG E-mail:tc@nwpu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

爆炸产生的波阵风以超声速或声速传播，且携带了高能扰动能量，它会对飞机产生显著的扰动作用甚至破坏作用。本文阐述了爆炸波阵风的模型，定义了波阵风与飞机的作用方法。将波阵风对飞机的作用折算为下洗效应，采用亚声速偶极子格网法，推导了波阵风对飞机的非定常激励力计算公式，基于此建立了波阵风中的弹性飞机动力学模型，提出了波阵风中的弹性飞机动响应仿真流程。数值仿真结果表明：波阵风激励力计算方法有效，能满足工程实践需求；在质心处，弹性飞机与刚体飞机的动响应差异不大；在翼尖区域，由于气动弹性效应，弹性飞机与刚体飞机的动响应结果有显著差别；波阵风的激励能量主要集中于1 Hz以下，在构建弹性飞机动力学模型时可以忽略振动频率比较高的弹性模态。

关键词: 波阵风, 弹性飞机, 非定常气动力, 气动弹性, 动响应

Abstract:

The blast wind generated by the explosion propagates at supersonic or sonic speed and carries high-energy disturbance energy， and can have a significant disturbance or even destructive effect on the aircraft. The model of the blast wind is described， and the method of action between the blast wind and the aircraft is defined. The effect of blast wind on aircraft is treated as the downwash effect， and the unsteady excitation force calculation formula for aircraft in the blast wind is derived by employing the subsonic doublet lattice method. A dynamics model of elastic aircraft in the blast wind is established， and the dynamic response simulation process for flexible aircraft in the blast wind is proposed. The numerical simulation results show that the calculation method of the excitation force due to the blast wind is effective and can meet the requirements of engineering practice. At the center of gravity， the dynamic response results of elastic aircraft and rigid aircraft have no obvious difference. In the wingtip region， the dynamic response results of elastic aircraft and rigid body aircraft show significant difference due to the aeroelastic effect. Since the excitation energy of the blast wind is mainly concentrated below 1 Hz， the elastic modes with relatively high vibration frequencies can be ignored in establishing dynamics model of the elastic aircraft.

Key words: blast wind, flexible aircraft, unsteady aerodynamics, aeroelasticity, dynamic response

中图分类号:

V215.3

王立波, 荆志伟, 唐矗. 波阵风中的弹性飞机动力学建模与仿真[J]. 航空学报, 2023, 44(17): 228214-228214.

Libo WANG, Zhiwei JING, Chu TANG. Modelling and simulation of flexible aircraft in blast wind[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(17): 228214-228214.

图/表 27

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

表 1

图 9

表 2

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

表 3

不同位置处的飞机动响应极值

水平距离	U_x 极值/（m·s^-1）	U_z 极值/（m·s^-1）	弹性飞机动响应极值				刚体飞机动响应极值
水平距离	U_x 极值/（m·s^-1）	U_z 极值/（m·s^-1）	$Δ α$ /（°）	$Q d o t$ /（（°）·s^-2）	$B n z$	$a w i n g t i p$ /（m·s^-2）	$Δ α$ /（°）	$Q d o t$ /（（°）·s^-2）	$B n z$	$a w i n g t i p$ /（m·s^-2）
X1	37.56	16.82	4.70	-50.67	1.851	37.48	4.67	-51.91	1.936	13.48
X2	32.90	12.54	3.33	-36.95	1.595	28.67	3.30	-37.89	1.664	9.71
X3	29.28	9.66	2.46	-28.79	1.466	25.05	2.45	-29.30	1.505	7.50

表 3

图 20

图 21

图 22

图 23

图 24

参考文献 27

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

模态阶数	频率/Hz	备注
3	0	刚体沉浮模态
5	0	刚体俯仰模态
7	2.239 6	机翼对称一弯模态
9	5.680 8	机翼面内模态
10	7.349 5	机翼对称二弯模态
14	9.685 3	尾翼对称模态
17	13.589 0	副翼对称偏转模态

参数	数值
计算高度/m	6 000
计算马赫数	0.5
波阵风剖面	1-cos，垂直向上
波阵风强度/（m·s^-1）	12
波阵风激励时长/s	0.5
波阵风包围飞机的速度/（m·s^-1）	150

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