基于NASTRAN的机翼颤振速度神经网络仿真

关键词：机翼颤振；气动弹性；NASTRAN；神经网络；颤振速度

一、文章简要介绍

大柔性机翼用在高空长航时无人机和复合材料大飞机上，翼展大、刚度低，颤振速度是绕不开的设计红线。风洞和试飞验证成本高、周期长，初步设计阶段更需要低成本的快速评估手段。西北工业大学团队在Scientific Reports给出一条路线：先用Patran和Nastran完成机翼颤振分析，再用BP神经网络对气动弹性系统做辨识，输入材料与几何参数直接预测颤振速度（DOI：10.1038/s41598-024-82573-7）。

机翼有限元模型与根部固支边界

Patran里的机翼板壳有限元模型，展向29乘弦向4网格，根部固支

模型建好后先算模态。图2是前4阶振型云图，一阶弯曲频率低到0.064赫兹，大柔性特征很明显。

前4阶模态振型云图

前4阶模态振型，一阶弯曲0.064赫兹，三阶弯曲1.117赫兹

二、仿真步骤

步骤一：结构建模。机翼弦长1.6米，厚0.02米，半展长16米。Patran里建几何，材料选线弹性本构，网格展向29个节点、弦向4个节点，单元用二维壳元，根部4个节点固支，模拟机翼与机身翼肋的连接。

步骤二：气动建模与颤振求解。在Flightloads里建偶极子网格气动模型，样条插值把气动力传到结构节点，工况给大气密度1.229千克每立方米、马赫数0.1、速度5到35米每秒。p-k法迭代求解，结果送Nastran后处理出v-g图。7050铝机翼颤振速度22.3米每秒，颤振频率0.7赫兹，发散的是三阶弯曲模态。

v-g颤振分析结果

7050铝机翼v-g图，第4条曲线在22.3米每秒阻尼过零发散

步骤三：数据扩展。同一套流程换材料、换尺寸批量算：金属4种，7050铝、15-5PH不锈钢、Ti-6Al-4V钛合金和6061铝，颤振速度从22.3到37米每秒；复合材料4种，T300系列预浸料，颤振速度在19.8到22.1米每秒；再加1比1.5到1比20共6档缩比机翼。

颤振预测方法流程

方法流程，材料路线和尺寸路线都汇入网络训练测试

步骤四：神经网络训练。MATLAB里搭BP网络，三个隐层节点数10、10、6，LM算法更新权值，132轮收敛，均方误差压到0.0000433。金属、复合材料、缩比尺寸三条路线分别训练，图5里期望输出与预测输出逐阶对齐。

金属机翼网络拟合结果

金属机翼拟合结果，期望输出、预测输出与误差曲面逐阶对齐

三、关键结果与发现

预测端的结果很扎实：6061铝机翼预测颤振速度22.5米每秒，对仿真22米每秒；T300/976复合材料预测23.9对仿真21.8；缩比1比2的机翼预测22.05，1比1.5预测16.5。低阶模态的阻尼曲线偶有振荡，颤振速度本身没跑偏。对初步设计阶段筛材料、定尺寸来说，这套辨识流程比逐个建模算颤振省工时得多。

6061铝机翼预测对比

6061铝速度阻尼曲线，预测22.5对仿真22米每秒

图7是缩比1比1.5机翼的预测曲线，各阶形态与仿真基本吻合，尺寸变化后网络依旧适配。

缩比机翼预测对比

缩比1比1.5机翼预测曲线，各阶形态与仿真基本吻合

四、我们提供的服务

我们可提供以下仿真服务：①NASTRAN机翼颤振与气动弹性分析；②模态分析与模型修正；③复合材料层合板建模；④神经网络代理建模；⑤颤振速度包线评估。

如需相关服务，欢迎通过公众号"320科技工作室"联系我们。