机翼颤振模型试验在课程教学中的应用与实践.pdf

西南交通大学学报（社会科学版）2023 年 2 月 JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY Feb.2023 第 24 卷 （Social Sciences)Vol.24 增刊第 2 期 实验教学 机翼颤振模型试验在课程教学中的应用与实践 夏 巍1,3，任甲源3，张晨曦3，谢远东3，周 律2,3，胡淑玲1,3（1.西安交通大学 机械结构强度与振动国家重点实验室，陕西 西安 710049；2.西安交通大学 力学实验教学国家示范中心，陕西 西安 710049；3.西安交通大学 航天航空学院，陕西 西安 710049）摘 要：机翼颤振模型是一种观测气动弹性颤振现象的实验装置。利用风洞、振动采集系统等仪器设备，在人为控制风速、振动扰动等条件下，引起模型的气动弹性动力失稳，进入自激振动（颤振）状态。通过观察、测定和分析响应信号，帮助学生理解颤振发生的力学机制，获得气动弹性的相关知识，并发展防颤振设计的能力。本文基于气动弹性力学设计、结构弯扭刚度解耦技术、3D打印等创新手段，开展颤振风洞试验模型的自主设计与研发，应用该模型开展气动弹性教学，获得了实践教学数据。目前机翼颤振教学实验与飞行器结构力学、气动弹性概论等课程一起，共同组成了飞行器设计与工程（飞设）专业核心课程体系，是工科飞设专业的重要教学实践环节。关键词：实践教学；气动弹性；机翼颤振；风洞试验；模型设计 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助(xjj2018028)；西安交通大学本科实践教学改革研究项目(19SJZX15)作者简介：周律(1992-)，女，陕西商洛人，工程师，硕士，主要从事力学实验教学，E-mail：。胡淑玲(1971-)，女，陕西铜川人，教授，博士，主要从事飞行力学研究。E-mail：。通讯作者：夏巍(1978-)，男，湖南株洲人，副教授，博士，主要从事气动弹性力学研究，E-mail：。一、引言 颤振是结构在气流中因气动弹性耦合导致系统失稳而发生的一种自激振动行为。飞行器部件产生不衰减且振幅相当大的颤振是十分危险的，因此需要开展地面试验找到避免颤振的方法。目前机翼颤振模型试验方法主要有风洞试验、地面车载试验、携带试验、自由飞试验和飞行试验等形式1。其中，地面车载试验难以排除路面动力响应的干扰2；携带试验对测控系统的集成化提出了较高要求；自由飞试验对于信号的远距离传输和在线监测均提出了较高要求；而颤振试飞只适于获取亚临界响应信号，且作为飞行试验的高风险科目具有一定危险性3。在诸多试验方法中，模型风洞试验具有安108 西南交通大学学报（社会科学版）第 24 卷 全可靠、重复性好、测控方便、经济实用等优势，在机翼颤振试验中得到了广泛应用，尤其适合在课程实践教学中推广使用。颤振风洞试验是在风洞中开展地面试验，确定颤振发生的气动/结构条件以及测量结构颤振响应的幅值、频率等特性的试验技术4。在颤振风洞试验中，主要测量结构在风洞气流中由于气动弹性耦合作用所引起的振动。如果结构在振动过程中没有受到外界激励，弹性力与惯性力作为保守系统的内力总是处于平衡状态，结构在一个振动周期内的势能和动能之和保持为常数，则结构不会发生颤振。而如果结构在振动过程中能够持续的从气流中获取能量，且该能量大于结构的阻尼作用所消耗的能量，就会发生颤振。通过颤振风洞试验研究飞行器部件颤振发生的机理和规律，对于结构防颤振设计和颤振主/被动控制至关重要5。机翼颤振的气动弹性耦合机理是飞行器设计与工程专业本科生必须掌握的重点教学内容之一。颤振风洞试验需要解决模型缩比、非定常气动力相似、结构抗疲劳设计、安全防护等问题。Coutinho 等6和 Casaburo 等7对气动弹性缩比方法做了很好的综述。Zhu 8研究了增材制造在风洞模型加工中的应用，开发了气动弹性静力学和动力学模型增材制作方法。杨智春等9研究了机翼颤振的非线性问题。Zhao 等10研究了大柔性飞机刚体运动与气弹变形的耦合行为。吴长波等11研究了风扇转子叶片的耦合颤振特性。本文采用气动弹性力学设计、结构弯扭刚度解耦技术、3D 打印等创新手段，开展颤振风洞试验模型的自主设计与研发。主要内容包括：首先，设计悬臂梁和扭簧结构/机构系统，实现模型弯曲刚度和扭转刚度解耦，解决机翼颤振的特性参数随弯、扭刚度变化难以独立辨识的难题。通过结构设计，实现机翼的弯曲刚度由悬臂梁提供，扭转刚度由扭簧提供，设计安装位置灵活可调的连接夹具，实现弯曲刚度和扭转刚度在一定设计参数范围内可分别独立变化。其次，发展系统集成度高的颤振风洞试验模型。在模型中预置加速度传感器、应变片等传感器件，可同时感受弯曲振动和扭转振动，并通过串口模块、电荷放大器、动态应变仪等外围设备输出至计算机，记录振动信号。开展地面振动试验和风洞试验，验证该设计能够有效消除弯、扭刚度之间的耦合，达到直接用风洞试验数据研究弯曲或扭转刚度如何影响颤振特性的目的。最后，通过大量的地面振动试验和风洞试验数据，获取颤振教学模型的颤振临界速度、颤振频率、振动固有频率等特性参数，编制颤振教学模型使用说明书，制定完善实验报告册、实验运转计划和实验教学计划。探索基于“创新人才培养”的气动弹性力学实验教学新模式。以培养学生“创新思维和实践能力”为目标，通过自制机翼颤振的教学模型，实验教学内容的更新与重组，多元化实验课堂活动的构建，过程化激励评价措施的实施，全方面深化气动弹性力学实验教学改革，激发学生的学习兴趣，提高学生的创造性思维能力，锻炼学生的实践技能。二、机翼颤振模型设计（一）弯扭刚度解耦机构 为了发展低风速颤振模型，需要调整结构的弯曲和扭转振动固有频率，使之相互接近且易于在低速气流中发生气动弹性耦合。为此需要设计弯扭刚度解耦机构，具体设计方案是：利用钢尺/端部平台/转轴+升力面结构系统实现了机翼弯曲变形和扭转变形的解耦；为了减轻颤振带来的结构疲劳问题，结构设计中引入了轴承和扭簧系统，保证结构可长时间演示颤振而不易破环（图 1）。弯曲部件由打好螺孔的钢尺构成，钢尺端部联接扭簧单元。扭簧单元由一对法兰轴承，一根外径 4mm 的空心轴，一对扭簧和一组圆环组成，轴承和圆环通过紧配合与轴联接，扭簧一端固定在轴承上，另一端固定在圆环上，当轴承转动时提供扭力。机翼选用 NACA0012 翼型，弦长 150mm，半展长 200mm，采用中空结构，内侧有打好螺孔的圆柱联接结构，通过螺栓与型联接件和扭转部件联接。型联接件上打有螺孔，左右两个联接件之间通过一根加长螺栓联接。加速度计用 502 胶粘贴在机翼内部空腔。增刊第 2 期 109 夏 巍 机翼颤振模型试验在课程教学中的应用与实践 图 4-1 弯扭刚度解耦机构 上述模型具有如下特点：（1）扭转刚度由扭簧提供，弯曲刚度由钢尺提供，可分别独立调整。（2）模型质轻易于安装/操作，机翼采用中空设计，各部件由 3D 打印制作，模型总质量控制在 600g以内。（3）通过更换不同厚度的钢尺可调整模型弯曲刚度，更换扭簧单元可对模型扭转刚度独立调节。（二）气动弹性力学模型 在实现了弯扭刚度解耦的基础上，该模型可由弯、扭二自由度简化模型描述。二元机翼的气动弹性动力学方程如下：+=+=（1）式中，为弯曲变形，为扭转变形，为机翼质量，为机翼对弹性轴的质量静矩，为机翼质量惯性矩，为弯曲刚度，为扭转刚度，为气动力，为气动力矩。基于西奥道生气动力和简谐振动假设（=0，=0），可以得到频域颤振方程如下：2(1 22)+2+(12+)=02+(12+)+22(1 22)+(12+)(+)+(12+)2=0 （2）式中，为空气密度，为机翼半弦长，为刚心与翼弦中点距离，为质、刚心距离，为机翼对弹性轴的回转半径，为一弯频率，为一扭频率。频域气动力系数可由下式确定：=1 2()=12 11+2()22()=12=38 1 （3）110 西南交通大学学报（社会科学版）第 24 卷 式中，C()为西奥道生函数，为减缩频率，其数值取决于气流速度、机翼半弦长和振动频率，表达式为 k=。颤振方程的求解可基于 V-g 法，通过引入人工阻尼系数 g 将颤振方程转化为特征值问题，由出现正值阻尼系数判断系统失稳（颤振）。其中，阻尼系数、颤振频率和速度的计算公式如下：=（4a）g=（4b）V=（4c）式中，和分别代表 V-g 法解得的特征值实部和虚部。三、机翼颤振模型试验（一）地面振动试验 地面振动系统由试验件、信号发生器、信号放大器、激振器、计算机、激光位移计及配套设备组成（图 2a），可测量试验件的固有频率。首先，将颤振模型固定在激振器上，当信号发生器给出扫频信号，该信号通过功率放大器输入激振器，则激振器可以激发出模型的振动响应。该振动响应由激光位移计拾振，并存储为时域信号。然后，通过后期信号分析，经傅里叶变换将时域信号转化为频响曲线（图 2b），可以得到机翼模型的前 2 阶共振峰，对应的共振频率分别为 2.8 Hz 和 6.5 Hz。最后，在上述频率下激振，可以观察机翼模型的振型，低频共振为弯曲模态，高频共振为扭转模态。(a)试验现场 (b)试验结果 图 2 地面振动试验（二）风洞试验 风洞颤振实验系统由风洞、颤振模型、加速度计、计算机、激光位移计及配套设备组成（图 3）。机翼模型固定在风洞试验段中央。吹风过程中不断对模型施加小扰动，观测振动响应，以判断稳定性。增刊第 2 期 111 夏 巍 机翼颤振模型试验在课程教学中的应用与实践 图 3 风洞试验现场 (a)8.5 m/s 风速 (b)9.0 m/s 风速 图 4 机翼模型的气动弹性响应 试验结果表明，当风速低于 8.8 m/s 机翼模型的气动弹性响应始终能够衰减至静止状态，其位移时间历程如图 4a 所示。当风速超过 8.8 m/s 机翼模型的气动弹性响应不再衰减，发生限幅振荡，系统动力学失稳，发生颤振。四、教学实践 采用气动弹性力学设计、结构弯扭刚度解耦技术、3D 打印等创新手段，开展了颤振风洞试验模型的自主设计与研发。基于该模型开展了机翼颤振实验教学，在“气动弹性概论”课程（2020-2021学年第一学期，选课人数 39 人）和“航空航天专业实验”课程（2020-2021 学年第一学期，选课人数 40 人）中进行机翼颤振教学模型的应用研究。“气动弹性概论”是飞行器设计与工程专业四年级本科生的专业选修课，授课 32 学时。2020-2021 学年第一学期应用项目成果为 2017 级本科生开设了 4 学时课外实验，取得了显著成效。开设实验课的 2020-2021 学年学生评教得分 98.50。未开设实验的 2017-2020 年三年学生评教得分分别为112 西南交通大学学报（社会科学版）第 24 卷 82.46、89.23、91.85，三年均分 87.85。应用项目成果后学生评教得分提升超过 10%。“航空航天专业实验”是 2018 年开始授课的集中实践课。2020-2021 学年第一学期应用本项目开发的机翼颤振教学模型为 2017 级本科生开设了 4 学时的课内实验，取得了显著成效。开设实验课的2020-2021学年学生评教得分97.22。未开设实验的2018-2020年两年学生评教得分分别为90.00、88.89，两年均分 89.45。应用项目成果后学生评教得分提升近 10%。五、结论和展望 本文开展了弯扭刚度解耦机构自主设计、机翼颤振模型气动弹性设计和制作、机翼颤振模型在实验教学中的应用。得到的主要结论有：(1)开发了弯扭刚度解耦机构，实现了颤振风洞试验装置的弯曲和扭转刚度解耦，可保证模型的弯、扭刚度在一定参数范围内可调。(2)发展了机翼颤振模型的设计方法，制作了机翼颤振风洞试验模型，设计风速为 8.6m/s。(3)在风洞中实测了机翼颤振模型的弯扭耦合颤振，颤振临界风速为 8.8m/s。(4)在“气动弹性概论”和“航空航天专业实验”课程中进行机翼颤振教学模型的应用和实践，获得了教学数据。本文可为气动弹性力学创新性实验改革提供新思路，对于发展适应我校大类招生背景下飞设专业新培养方案的实践教学模式，提升飞行器气动弹性综合实验课的教学效果有一定参考价值。参考文献 1 Afonso F,Vale J,Oliveira E,et al.A review on non-linear aeroelasticity of high aspect-ratio wings J.Progress in Aerospace sciences,2016,89:40-57.2 李翰，解江，李公权，等.车载颤振试验可行性研究 J.飞行力学，2010，28(5)：75-78.3 Garrick IE,Reed III WH.Historical development of aircraft flutter J.Journal of Aircraft,1981,18(11):897-912 4 Jonsson E,Riso C,Lupp CA,et al.Flutter and post-flutter constraints in aircraft design optimization J.Progress.In Aerospace Sciences,2019,109:100537.5 张华.从蜻蜓翅痣谈飞机机翼颤振及其抑制J.现代物理知识,2019,31(2):42-46.6 Coutinho CP,Baptista AJ,Rodrigues JD.Reduced scale models based on similitude theory:a review up to 2015 J.Engineering Structures,2016,119:81-94.7 Casaburo A,Petrone G,Franco F,et al.A review of similitude methods for structural engineering J.Applied Mechanics Reviews,2019,71(3):030802.8 Zhu W.Models for wind tunnel tests based on additive manufacturing technology J.Progress in Aerospace Sciences,2019,110:100541.9 杨智春,田玮,谷迎松,等.带集中非线性的机翼气动弹性问题研究进展J.航空学报,2016,37(7):2013-2044.10 Zhao Z,Ren G.Multibody dynamic approach of flight dynamics and nonlinear aeroelasticity of flexible aircraft J.AIAA Journal,2011,49(1):41-54.11 吴长波,周拜豪,崔海涛,等.小展弦比带掠风扇转子叶片的耦合颤振J.航空动力学报,2014,29(12):2885-2890.增刊第 2 期 113 夏 巍 机翼颤振模型试验在课程教学中的应用与实践 Application and Practice of Wing Flutter Model Tests in Curriculum Teaching XIA Wei1,3，REN Jiayuan3，ZHANG Chenxi3，XIE Yuandong 3，ZHOU Lv2,3，HU Shuling 1,3 (1.State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures,School of Aerospace Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China；2.National Demonstration Center for Experimental Mechanics Education,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China；3.School of Aerospace Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China)ABSABSTRACTTRACT:Wing flutter model is used to observe and measure the aeroelastic flutter response.Utilizing tools like wind tunnel and vibration acquisition system,the dynamic instability of wing model is induced at constant wind speed under initial disturb,and the self-excited oscillation(flutter)is triggered.The mechanism of flutter is reached by observing,measuring and analyzing the oscillating signal,then the knowledge about aeroelasticity and capability of designing structure free of flutter is grasped by students.The present study focus on designing and developing a wind tunnel model that can flutter at low wind speed and applying the model into the aeroelastic course teaching.The skills of aeroelastic design,decoupling of bend and twist stiffness,and 3D additive print are adopted.By now,the wing flutter tests are coupled with the courses of Aerospace Structural Mechanics and Aeroelasticity,forming the core curriculum system for the students who is major in the aircraft design and engineering.K Keywordseywords:Practice teaching；Aeroelasticity；Wing flutter；Wind tunnel tests；Model design