Аэроупругость - Aeroelasticity

НАСА тестирует масштабную модель Lockheed Electra в аэродинамической трубе на флаттер

Аэроупругость - это раздел физики и техники, изучающий взаимодействие между инерционными , упругими и аэродинамическими силами, возникающими, когда упругое тело подвергается воздействию потока жидкости . Исследование аэроупругости можно в общих чертах разделить на две области: статическая аэроупругость, связанная со статической или установившейся реакцией упругого тела на поток жидкости; и динамическая аэроупругость, связанная с динамической (обычно вибрационной ) реакцией тела .

Самолеты подвержены аэроупругим эффектам, потому что они должны быть легкими и выдерживать большие аэродинамические нагрузки. Самолеты спроектированы таким образом, чтобы избежать следующих проблем с аэроупругостью:

  1. дивергенция, когда аэродинамические силы увеличивают угол атаки крыла, что еще больше увеличивает силу;
  2. изменение направления управления, когда активация управления создает противоположный аэродинамический момент, который снижает или, в крайних случаях, меняет эффективность управления; а также
  3. флаттер, который представляет собой неконтролируемую вибрацию, которая может привести к разрушению самолета.

Проблемы с аэроупругостью можно предотвратить путем регулирования массы, жесткости или аэродинамики конструкций, которые могут быть определены и проверены с помощью расчетов, испытаний на вибрацию земли и испытаний на флаттер в полете . Флаттер рулей обычно устраняется путем тщательного размещения баланса массы .

Синтез аэроупругости с термодинамикой известен как аэротермоупругость , а его синтез с теорией управления известен как аэроэластичность .

История

Второй отказ прототипа самолета Сэмюэля Лэнгли на Потомаке был приписан аэроупругим эффектам (в частности, крутильному расхождению). Ранней научной работой по этому вопросу была « Теория устойчивости жесткого самолета» Джорджа Брайана, опубликованная в 1906 году. Проблемы с расходимостью кручения мешали самолетам во время Первой мировой войны и были решены в основном методом проб и ошибок и специальным усилением жесткости. крыло. Первым зарегистрированным и задокументированным случаем флаттера в самолете был случай с бомбардировщиком Handley Page O / 400 во время полета в 1916 году, когда он испытал резкое колебание хвостовой части, которое вызвало сильное искажение задней части фюзеляжа и движения рулей высоты. асимметрично. Хотя самолет приземлился благополучно, в последующем расследовании были проведены консультации с FW Lanchester . Одна из его рекомендаций заключалась в том, что левый и правый лифты должны быть жестко соединены жесткой шахтой, что впоследствии стало требованием конструкции. Кроме того, Национальную физическую лабораторию (NPL) попросили теоретически исследовать это явление, что впоследствии было выполнено Леонардом Бэрстоу и Артуром Фейджем .

В 1926 году Ханс Рейсснер опубликовал теорию дивергенции крыльев, которая привела к дальнейшим теоретическим исследованиям в этой области. Сам термин « аэроупругость » был придуман Гарольдом Роксби Коксом и Альфредом Пагсли в Королевском авиастроительном учреждении (RAE) в Фарнборо в начале 1930-х годов.

В развитии авиационной техники в Калифорнийском технологическом институте , Теодор фон Карман начал курс «Эластичность применительно к аэронавтике». Проведя курс в течение одного семестра, Карман передал его Эрнесту Эдвину Сехлеру , который развил аэроупругость в этом курсе и опубликовал учебники по этому предмету.

В 1947 году Артур Родерик Коллар определил аэроупругость как «изучение взаимного взаимодействия, которое имеет место в треугольнике инерционных, упругих и аэродинамических сил, действующих на элементы конструкции, подверженные воздушному потоку, и влияние этого исследования на дизайн».

Статическая аэроупругость

В самолете могут возникнуть два значительных статических аэроупругих эффекта. Дивергенция - это явление, при котором упругое скручивание крыла внезапно становится теоретически бесконечным, что обычно приводит к выходу крыла из строя. Реверс управления - это явление, происходящее только в крыльях с элеронами или другими поверхностями управления, в которых эти поверхности управления меняют свои обычные функции (например, направление качения, связанное с данным моментом элеронов, меняется на противоположное).

Расхождение

Дивергенция возникает, когда подъемная поверхность отклоняется под действием аэродинамической нагрузки в направлении, которое дополнительно увеличивает подъемную силу в контуре положительной обратной связи. Повышенная подъемная сила еще больше отклоняет конструкцию, что в конечном итоге приводит ее к расхождению.

Смена управления

Переворот поверхности управления - это потеря (или изменение направления) ожидаемого отклика поверхности управления из-за деформации основной подъемной поверхности. Для простых моделей (например, одиночный элерон на луче Эйлера-Бернулли) скорости реверсирования управления могут быть получены аналитически, как и для крутильной расходимости. Реверс управления может использоваться для достижения аэродинамических преимуществ и является частью конструкции ротора сервоприводов Kaman .

Динамическая аэроупругость

Динамическая аэроупругость изучает взаимодействие аэродинамических, упругих и инерционных сил. Примеры динамических аэроупругих явлений:

Флаттер

Флаттер - это динамическая нестабильность упругой конструкции в потоке жидкости, вызванная положительной обратной связью между отклонением тела и силой, действующей в потоке жидкости. В линейной системе «точка флаттера» - это точка, в которой конструкция претерпевает простое гармоническое движение - нулевое суммарное демпфирование - и поэтому любое дальнейшее уменьшение чистого демпфирования приведет к автоколебаниям и, в конечном итоге, к отказу. «Чистое демпфирование» можно понимать как сумму естественного положительного демпфирования конструкции и отрицательного демпфирования аэродинамической силы. Флаттер можно разделить на два типа: жесткий флаттер , при котором чистое демпфирование уменьшается очень внезапно, очень близко к точке флаттера; и мягкий флаттер , при котором чистое демпфирование постепенно уменьшается.

В воде массовое отношение шаговой инерции фольги к массе окружающего цилиндра жидкости обычно слишком мало для возникновения бинарного флаттера, как показано явным решением простейшего детерминанта устойчивости к флаттеру по тангажу и вертикальной качки.

Видео разрушения моста Tacoma Narrows Bridge из-за аэроупругого трепета

Конструкции, подверженные воздействию аэродинамических сил, включая крылья и крылья, а также дымовые трубы и мосты, тщательно спроектированы с учетом известных параметров, чтобы избежать флаттера. Тупые формы, такие как дымоходы, могут испускать непрерывный поток вихрей, известных как вихревые дорожки Кармана , которые могут вызывать структурные колебания. Стрейки обычно оборачиваются вокруг дымоходов, чтобы остановить образование этих вихрей.

В сложных конструкциях, где аэродинамика и механические свойства конструкции не полностью изучены, флаттер можно исключить только путем подробных испытаний. Даже изменение распределения массы самолета или жесткости одного компонента может вызвать флаттер в явно не связанном с ним аэродинамическом компоненте. В самом легком виде это может проявляться как "гудение" в конструкции самолета, но в наиболее сильном случае оно может бесконтрольно развиваться с большой скоростью и вызывать серьезные повреждения или приводить к разрушению самолета, как в случае с рейсом Браниффа 542 , или прототипы истребителя В.Л. Мырского . Известно, что оригинальный мост Tacoma Narrows Bridge был разрушен в результате аэроупругого трепета.

Аэродинамическая эластичность

В некоторых случаях было продемонстрировано, что системы автоматического управления помогают предотвратить или ограничить вибрацию конструкции, связанную с флаттером.

Вихревой флаттер винта

Вихревой флаттер гребного винта - это особый случай флаттера, связанный с аэродинамическими и инерционными эффектами вращающегося гребного винта и жесткостью опорной конструкции гондолы . Может возникать динамическая нестабильность, связанная со степенями свободы по тангажу и рысканию винта и опор двигателя, что приводит к нестабильной прецессии гребного винта. Отказ опоры двигателя привел к возникновению вихревых колебаний на двух Lockheed L-188 Electra в 1959 году на рейсе Браниффа 542 и снова в 1960 году на рейсе 710 Northwest Orient Airlines .

Трансзвуковая аэроупругость

В околозвуковом режиме течение очень нелинейно, в нем преобладают движущиеся ударные волны. Это критически важно для самолетов, которые летают с околозвуковыми числами Маха. Роль ударных волн впервые проанализировал Холт Эшли . В мае 1976 г. Фармер и Хэнсон из Исследовательского центра Лэнгли сообщили о явлении, влияющем на устойчивость самолета, известном как "околозвуковое падение", при котором скорость флаттера может приближаться к скорости полета .

Буфетинг

Удар плавника, вызванный разрушением вихря на крыле NASA HARV F / A-18.

Бафтинг - это высокочастотная нестабильность, вызванная отрывом воздушного потока или колебаниями ударной волны от одного объекта, ударяющего о другой. Это вызвано внезапным импульсом увеличения нагрузки. Это случайная вынужденная вибрация. Обычно это влияет на хвостовую часть конструкции самолета из-за потока воздуха за крылом.

Методы обнаружения буфета:

  1. Диаграмма коэффициента давления
  2. Расхождение давления на задней кромке
  3. Вычисление разделения от задней кромки на основе числа Маха
  4. Нормальная сила колеблющаяся дивергенция

Прогнозирование и лечение

Баланс массы, выходящий из элерона, используется для подавления флаттера

В период 1950–1970 годов компания AGARD разработала Руководство по аэроупругости, в котором подробно описаны процессы, используемые при решении и проверке задач аэроупругости, а также стандартные примеры, которые можно использовать для проверки численных решений.

Аэроупругость включает в себя не только внешние аэродинамические нагрузки и способ их изменения, но также конструктивные, демпфирующие и массовые характеристики самолета. Прогнозирование включает создание математической модели самолета в виде набора масс, связанных пружинами и амортизаторами, которые настроены так, чтобы отображать динамические характеристики конструкции самолета. Модель также включает подробную информацию о применяемых аэродинамических силах и о том, как они меняются.

Модель можно использовать для прогнозирования предела флаттера и, при необходимости, для исправления потенциальных проблем. Небольшие тщательно подобранные изменения в распределении массы и локальной жесткости конструкции могут быть очень эффективными при решении аэроупругих задач.

Методы прогнозирования флаттера в линейных структурах включают p-метод , k-метод и pk-метод .

Для нелинейных систем флаттер обычно интерпретируется как колебание предельного цикла (LCO), и методы исследования динамических систем могут использоваться для определения скорости, с которой будет возникать флаттер.

СМИ

Эти видео подробно Активный Аэроупругое Wing двухфазный NASA - Air Force ЛИИ программа для изучения потенциала аэродинамически скручивания гибкие крылья , чтобы улучшить маневренность самолета высокопроизводительных на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях, с традиционным управлением поверхностей , таких как элеронов и leading- краевые клапаны, используемые для скручивания.

Заметные аэроупругие неудачи

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки