一种带间隙折叠舵的气动弹性时域响应分析方法

本发明涉及飞行器设计与气动弹性分析领域，尤其涉及一种带间隙折叠舵的气动弹性时域响应分析方法。

背景技术：

1、由于折叠舵在设计制造的过程中存在配合公差和加工精度，以及在飞行过程中存在长时间振动和磨损，折叠舵轴与舵面的铰接处会产生间隙，从而使连接处的接触刚度表现为非线性，对折叠舵面结构的动力学特性产生显著影响。随着现代飞行器的设计、装备及任务逐渐复杂化、综合化，飞行器结构系统的重量不断减轻、刚度不断降低，由间隙等因素引发的非线性气动弹性问题日渐突出，其引发的极限环特性复杂、难以预测，且对飞行器影响重大。

2、由于结构上非线性环节的存在，使得基于线性模态法的结构计算方法理论上将不再适用。现有技术一般采用模态试验分析方法针对实物进行现场测试来评估舵面间隙非线性带来的影响，例如公开号为cn105547618a的中国发明专利公开了一种基于折叠舵面舵系统的模态分析方法。

3、综上，开发含间隙非线性环节的折叠舵时域气动弹性响应分析方法具有重要的科学意义和工程应用前景。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本发明提出了一种带间隙折叠舵的气动弹性时域响应分析方法，该方法通过自由界面模态综合法(component mode synthesis,cms)求解折叠舵的结构模型，大大减小动力系统的自由度，并将非线性引入线性结构，从而解决了折叠舵存在结构非线性环节带来的问题。

2、本发明的技术方案具体如下：

3、一种带间隙折叠舵的气动弹性时域响应分析方法，包括以下步骤：

4、步骤一、按照折叠关系将折叠舵划分成两个子结构；

5、步骤二、基于两个子结构的质量阵、刚度阵和线性模态以及两个子结构之间的对接关系，采用非线性双协调自由界面动态子结构法建立折叠舵的非线性降阶模型；

6、步骤三、结合当前时刻的边界条件和流场速度，利用非定常涡格法确定当前时刻的非定常气动载荷；

7、步骤四、将载荷作用于折叠舵，利用非线性结构瞬态响应求解结构响应，得到下一时刻折叠舵的结构位移和速度；

8、步骤五、利用下一时刻折叠舵的结构位移和速度更新气动面位置和流场边界条件；

9、步骤六、采用形态插值算法在折叠舵的结构界面和气动面之间传递变形和气动力；返回步骤三，直至最终时刻；

10、步骤七、获得折叠舵随时间变化的位移响应曲线和速度响应曲线。

11、进一步的，所述非线性降阶模型中，折叠舵的物理位移向量u表示为广义模态[φr,φk,φd]，和广义坐标[qr,qk,qd]的组合，即u＝φrqr+φkqk+φdqd，其中，下标r，k，d分别表示刚体模态项、保留弹性模态项和删除模态项；

12、非线性结构动力学方程为：

13、

14、其中，

15、

16、δ表示不同子结构界面之间的偏置矩阵，mδ表示间隙刚度矩阵，f表示子结构上的外部载荷，i表示单位矩阵，b表示各子结构自由度之间的映射矩阵，表示子结构模态，ψd表示低自由度残差矩阵，m表示质量矩阵，左上标α,β分别代表折叠舵上、下半分区子结构变量。

17、进一步的，所述步骤三中利用非定常涡格法确定当前时刻的非定常气动载荷的具体步骤如下：

18、(1)在折叠舵和尾缘下游分别设置涡环，将折叠舵和尾迹的气动面离散化，计算由折叠舵运动和非定常来流引起的运动速度v′(t)＝[u(t),(t),w()]；

19、其中，u(t),(t),w()代表折叠舵运动速度和非定常来流速度叠加后在x,y,z三个方向的速度分量；

20、(2)将气动面上的所有涡叠加得到任意点的全局诱导速度；

21、(3)通过非定常伯努利方程推导出折叠舵气动面上的压差：

22、

23、其中下标l,u分别表示折叠舵上下面；p为压力，ρ为空气密度，qt为气流切向速度，φ为速度势；t为时间变量；

24、涡环的非定常气动载荷为：

25、fij＝-(δpδs)ijnij

26、其中δs为涡环面积，nij表示第i行j列个涡格的法向量。

27、进一步的，所述步骤六中采用形态插值算法在折叠舵的结构界面和气动面之间传递变形和气动力包括：通过曲面样条插值交换结构网格与气动网格之间的力学信息。

28、相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

29、本发明提出的一种带间隙折叠舵的气动弹性时域响应分析方法，将折叠舵整体结构按照折叠关系划分成两个子结构，通过自由界面模态综合法求解折叠舵的结构模型，大大减小动力系统的自由度，并将非线性引入线性结构，有效解决了折叠舵操纵面间隙带来的间隙非线性问题，适用于折叠舵时域气动弹性响应分析研究的快速应用。

1.一种带间隙折叠舵的气动弹性时域响应分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的带间隙折叠舵的气动弹性时域响应分析方法，其特征在于，所述非线性降阶模型中，折叠舵的物理位移向量u表示为广义模态[φr,φk,φd]，和广义坐标[qr,qk,qd]的组合，即u＝φrqr+φkqk+φdqd；

3.根据权利要求1所述的带间隙折叠舵的气动弹性时域响应分析方法，其特征在于，所述步骤三中利用非定常涡格法确定当前时刻的非定常气动载荷的具体步骤如下：

4.根据权利要求1所述的带间隙折叠舵的气动弹性时域响应分析方法，其特征在于，所述步骤六中采用形态插值算法在折叠舵的结构界面和气动面之间传递变形和气动力包括：通过曲面样条插值交换结构网格与气动网格之间的力学信息。