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颤振试验

/flutter test/
条目作者杨超

杨超

最后更新 2024-07-09
浏览 151
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确定飞行器(整体或部件)、高层建筑、桥梁等弹性体的颤振临界特性(如颤振临界速度、频率、耦合模态等)的试验,是气动弹性试验的重要内容。

英文名称
flutter test
所属学科
力学

颤振试验是飞行器研制工作中的一个关键环节,是高层建筑、桥梁等设计中需要考虑的试验,也是研究颤振特性的重要手段。

颤振试验基本上可以分为地面颤振试验和飞行颤振试验。地面颤振试验包括风洞颤振试验、火箭橇或车载颤振试验。

①风洞颤振试验

一般可用缩比模型在风洞中进行,若物体较小也可以将实物放置在风洞中进行。供试验用的模型应该满足空气动力学、结构动力学和几何形状等方面相似律的要求,这些要求内容广泛,以致颤振模型很难全部满足;解决办法通常是根据具体情况忽略某些次要因素。在风洞中进行试验的一般做法是逐步提高气流速度,当模型或实物的振动恰由衰减转变为发散时,气流速度就等于颤振临界速度。

按照所使用的风洞速度范围,可将风洞颤振试验分为低速风洞颤振试验、高速风洞颤振试验以及高超声速风洞颤振试验等。颤振模型设计主要受风洞尺寸、性能和试验费用的限制,同时要采取措施保证试验过程中模型和风洞的安全。高速风洞颤振试验时动压大、模型颤振频率高、模型强度高等,试验难度更大。目前的高超声速风洞很难同时满足马赫数、热环境的条件。

②火箭橇或车载颤振试验

利用轨道上滑行的火箭橇进行模型颤振或实物颤振试验。对于高速飞行的飞行器,这类方法相当重要,它可以避免风洞的洞壁干扰,使模型经受的气流环境和实物相同。也可利用地面汽车、火车等设计专门的固定和测量装置,进行模型或实物颤振试验,一般用于低速气流试验。

飞行颤振试验即用真实飞行器或飞行器缩比模型进行空中飞行的颤振临界特性试验。试验方法一般是一定飞行高度下逐步提高飞行速度,并记录在每一飞行速度下飞行器结构对外加激励的振动响应,采用颤振预测方法分析给出颤振临界特性;不能飞到颤振临界状态,只能在亚临界状态进行响应的测量和分析。

飞行颤振试验是一种有风险、很复杂的试飞科目,用以检验新飞机的颤振余量,为飞行包线右边界确定提供依据。该试验是检验飞机设计满足颤振要求的最终环节,是飞机定型试飞科目的组成部分。而导弹、无人机等飞行器根据情况选作或简化这个试验。

飞行颤振试验技术的组成要素包括三个方面:结构激励、响应测量以及颤振边界预测。常用的结构激励方法有小火箭或人工激励,也有通过电磁激励来实现的简谐激励,还有利用专用信号发生器产生一种特定信号的扫描激励,也可利用大气紊流或机械的、空气动力的方法产生随机信号的随机激励等。颤振边界预测方法常见的有模态阻尼外推法、颤振余量法、包线函数法、ARMA模型时序分析法等。如模态阻尼外推法,利用试飞数据导出振动衰减率和飞行速度的关系曲线,利用阻尼外推法得到振动衰减率为零值时对应的颤振临界速度。

21世纪初兴起的颤振鲁棒分析方法,是将颤振理论分析模型和飞行试验数据结合,采用结构奇异值理论的一种颤振边界预测方法,可以考虑气动弹性系统的不确定性因素。这种方法克服了单纯基于飞行试验信号数据预测的缺陷,在保证预测精度的情况下,可以有效减少飞行试验次数。

  • 杨超.飞行器气动弹性原理. 2版.北京:北京航空航天大学出版社,2016.

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