关键要点

• 气动弹性颤振是作用在飞机上的空气动力载荷导致其振动或振荡时的一种现象。 

• 空气动力载荷和结构变形之间的正反馈回路会导致飞机颤振。 

• 流体-结构相互作用的 CFD 模拟建立了气动载荷与结构变形之间的关系，以帮助识别潜在的颤振风险。

飞机结构和气流条件对气动弹性颤振分析有重大影响

飞机结构在飞行过程中与周围气流相互作用时会受到各种空气动力和力矩。该飞机旨在承受这些动态载荷以保持飞行稳定性。然而，在某些条件下，这些空气动力载荷会导致飞机振动或摆动，从而引起称为颤振的现象。

气动弹性颤振是飞机设计中的一个重要问题，因为它容易导致结构失效。一种缓解策略是气动弹性颤振分析，它可以提供有关颤振行为的更多详细信息，并确定确保飞机安全所需的设计变更。

在本文中，让我们进一步了解颤振的概念以及气动弹性颤振分析在飞机性能中的重要性。 

什么是气动弹性颤振？

气动弹性颤振是由于气动载荷与结构之间的相互作用而在飞行器中发生的高频振动。当飞机在空中移动时，空气动力可能导致飞机结构变形。反过来，施加到结构上的空气动力载荷也会发生变化。可以有两种类型的更改：

气动弹性颤振是由于正反馈回路而产生的，使飞行器陷入自激振动的循环。随着每个循环的振动幅度增加，结构失效的风险增加。这是由于振动幅度超过结构限制的风险。

根据飞机的几何形状和气流条件，颤振可能会以不同的速度发生，这使其成为一个主要的安全问题。因此，气动弹性颤振分析在设计阶段至关重要，可以预测产生的载荷和避免颤振问题所需的结构完整性。 

气动弹性颤振分析：确定影响因素

气动弹性颤振分析侧重于预测和分析飞机的颤振行为及其对空气动力学性能的影响。影响包括空气动力载荷增加、飞机失控风险增加以及空气动力效率降低等问题。各种分析、计算和实验方法或它们的组合可用于在设计阶段进行气动弹性颤振分析，以获得准确可靠的结果。

颤振分析需要识别一些关键组件。 

1. 颤振速度

颤振速度是振动的固有频率与空气动力载荷的频率相等时空速的量度。这些频率可以在不同的速度下识别，用于不同空气动力学模型的颤振分析。该分析有助于确定易受颤振影响的理想飞机设计。否则，模型和仿真可用于确定优化策略，以防止颤振并提高飞机安全性。    

1. 颤动模式

不同的颤振模式或振动模式会影响飞机的颤振体验。颤动模式通常包括：

• 机翼弯曲扭转颤振

• 机翼前缘颤振

• 尾翼颤振

• 控制表面颤动

• 螺旋桨旋转颤动

可以使用有限元法 (FEM)或计算流体动力学 (CFD) 等方法对飞机设计的这些组件进行预测和分析。

基于 CFD 的气动弹性颤振分析包括对流体-结构相互作用进行建模，以研究飞机在受到来自周围气流的空气动力载荷时的响应。 

飞机性能的计算分析

模拟飞机进行气动弹性颤振分析

使用 CFD 进行气动弹性颤振分析的过程包括合并流体流动和结构模型以计算气动载荷和相关的结构应力和变形。流体模型使用Navier-Stokes 方程模拟定义的流动条件下的流场，并计算结构周围的作用力。同样，结构模型使用运动方程来求解结构的变形。

通过流体结构仿真和分析，可以了解飞机是否正在经历正反馈回路或负反馈回路。CFD 工具还可以分析机翼或螺旋桨等飞机结构的行为，以识别不同操作条件下的任何不稳定颤振模式。颤振诱发因素的识别和气动载荷与结构变形之间循环效应的分析可以反复进行，直到获得理想的解决方案，即降低颤振和提高性能的单一优化设计。

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