质量平衡形式对颤振的影响研究

摘要 本文以平尾及垂尾模型为研究对象，采用不同形式的质量平衡方法，从机理上对耦合的模态进行了分离，改变了颤振型，从而提高了颤振速度。

关键词 频率重合理论；颤振临界速度；质量平衡

【分类号】：TG302

1 引言

在飞机飞行中，会出现两个分支在气流中的频率相互接近的现象。频率接近意味着两个振型的耦合性加强，耦合即发生颤振。由此提出了一种高度简化的颤振理论，即频率重合理论。频率重合理论是：当风速增大时，会使两个分支频率改变，一直到两个频率重合。这两个分支的耦合振动就有可能从气流中吸取能量，从而达到颤振临界点。所以，为防止颤振速度过低，应尽可能避免有关的二振型频率接近。其中最常用的方法就是改变操纵刚度或质量平衡[1]。本文就质量平衡方法进行了重点研究。

质量平衡方法即在飞机不同位置加载不同集中质量值，从而影响耦合的模态频率，进而改变颤振速度甚至颤振型。

2 质量平衡方法对平尾颤振特性的影响

平尾重心在操纵面转轴之后，旋转频率低于主翼面的一阶弯曲频率，翼面发生操纵面偏转和主翼面弯曲的耦合，从而引起颤振。

颤振计算有限元模型及气动力模型见图1、图2。

图1平尾有限元模型 图2平尾气动力模型

结构动力学计算和颤振计算结果见下表1，颤振型分析结果见表2。

表1 原模型计算结果

平尾旋转频率 平尾一弯频率 颤振速度 颤振频率

f0 1.264f0 V0 1.179f0

表2 原模型颤振型计算结果

前4阶 前3阶 1、2、4 1、3、4 2、3、4阶 2、4 1、4 1、2 2、3

颤振速度 V0 0.995V0 V0 1.001V0 6.981V0 --- --- --- 0.996V0 V0

---

颤振频率 1.225f0 1.225f0 1.225f0 2.638f0 --- --- --- 1.225f0

---

由表2可见，此时为平尾一弯与旋转的耦合颤振。按照质量平衡原则，在平尾翼尖前缘加200g集中质量，加配重前后的重量重心统计见图3。

图3 加配重前后重量重心位置示意图

由图3中的统计可以看出，加200g配重后，平尾重心移到了转轴之前。对加配重后的模型进行结构动力学计算和颤振计算，计算结果见下表3。加配重后，平尾一弯频率较之前有少量降低，但是平尾偏转频率有大幅降低，这在一定程度上拉大了两阶模态间的差距，减小了模态耦合即颤振的可能性，从而提高了颤振速度。

表3 加配重后模型计算结果

平尾旋转频率

频率 平尾一弯频率

频率 颤振速度 颤振频率

0.664f0 1.138f0 >13.207V0

13.207

13.207

1.225f0

3 质量平衡方法对垂尾颤振特性的影响

垂尾引起低速颤振的模态与平尾的形式有所不同，加配重以前垂尾的重心已在转轴之前。但是其一弯频率远高于方向舵偏转频率，配重主要是用来降低一弯频率，故选择加载于安定面后缘。加载100g配重前后的垂尾一弯及方向舵偏转模态对比见表4。

表4 加配重前后模态频率振型比较

配重位置 加配重前一弯

1.344f0 加配重后一弯

1.166f0 加配重前偏转

1.860f0 加配重后偏转

1.689f0

加配重前后颤振计算结果见表5。

表5 加配重前后颤振结果比较

加配重前 颤振速度 颤振频率 加配重后 颤振速度 颤振频率

3.856V0 1.725f0 12.472V0 2.281f0

表6 加配重前后颤振型计算结果

前4阶 前3阶 1、3 1、2 2、3

加配重前 颤振速度 3.904V0 3.912V0 >13.2V0 >13.2V0 >13.2V0

颤振频率 1.727f0 1.728f0

加配重后 颤振速度 12.481V0 13.026V0 6.924V0 >13.2V0 >13.2V0

颤振频率 2.261f0 2.303f0 3.137f0

由表6中的计算结果可以看出，加配重后，前三阶模态对颤振的贡献发生了变化，加配重前前三阶模态对颤振都是促进作用，加配重后第二阶模态对颤振起了抑制作用。

4 总结

从前面的分析可以看出：

（1） 根据频率重合理论，只有尽可能的避免两阶模态接近，才能降低两阶模态耦合的颤振速度，或者改变现有的颤振耦合形式。

（2）对于重心位于转轴之后且偏转频率低于一弯频率的全动舵面，在前缘位置加载配重可以降低或消除一弯跟偏转的耦合颤振。

（3）对于不能改变耦合形式的颤振，通过加载配重改变其中参与模态的频率值可以改变该支模态对颤振的促进或抑制作用，进而改变颤振速度。

参考文献

[1]陈桂彬 邹丛青 杨超. 气动弹性设计基础. 北京航空航天大学出版社. 2004， 10

[2]陈奎林. L8和N5A飞机防颤振设计. 洪都科技. 1995第三期

作者简介：亓洪玲（1982.3―），现为中航工业洪都650所总体气动设计研究部工程师。