考虑发动机推力影响的跨声速机翼颤振特性研究

Modern large civil aircraft is generally mounted with 2 or 4 high-bypass-ratio turbofan engine under wing as a power plant. The weight of engine and its nacelle can be accounted for about 13% of the empty weight of aircraft. The area of the nacelle exposed to air is about 30% of its wing. The specific dynamic characteristics (great inertia, special vibration modes, and strong follower thrust) and the unsteady aerodynamic forces induced by the interference of wing and nacelle, easy to produce "wing-nacelle flutter", which is a small damping flutter and will generally become the critical value. .. Based on the developed CFD / CSD coupled flutter calculation method, this project will investigate the problems as follows: (1) the analysis method for the structural vibration modes and frequencies with the engine thrust will be established; (2) the equations of structural motion with engine thrust will be deduced; (3) ignoring the complex process inside the engine,the boundary conditions for the accurate simulation of engine thrust in the flutter process will be developed; (4) transonic wing flutter analysis program considering the effect of engine thrust will be finished；（5）the design parameters such as the engine thrust, the structural stiffness of wing and engine pylon, engine placement et. al. on flutter characteristics of wing will be analyzed; (6) the potential complex flutter mechanisms will be revealed.

现代大型客机一般采用翼下吊挂2台或4台高涵道比涡扇发动机作为动力装置。发动机本体及短舱重量约占空机重量的13%，其短舱暴露于气流中的面积约占机翼面积的30%。发动机特有的动力特性（巨大惯性、特殊振动模态、与结构变形随动的强大推力）和机翼/吊挂/发动机非定常干扰气动力相互作用，容易产生“机翼-发动机短舱颤振”，这是一种小阻尼颤振，一般会成为飞机的临界颤振模态。. 本项目基于已发展的CFD/CSD耦合颤振计算方法，建立考虑发动机推力影响的机翼结构振型和频率计算方法；推导考虑发动机推力随动效应的结构运动方程；发展忽略发动机内部复杂过程，且能比较准确模拟颤振过程中发动机随动推力的边界条件处理方法；开发考虑发动机推力影响的跨声速机翼颤振分析程序。研究发动机推力、机翼刚度、吊挂刚度和发动机位置对机翼颤振特性的影响规律及其潜在的复杂颤振机理。

翼吊式发动机的气动布局在军、民飞机中得到了广泛应用，但这种布局使得发动机、机翼、吊挂之间存在非定常气动力相互干扰。在飞行过程中，发动机推力会改变机翼的稳定性，即使推力大小不足以引起机翼的失稳，但其与气动载荷和机翼弹性运动的耦合作用仍会改变机翼的颤振边界。加之现代飞行器的设计越来越追求轻质，使得机翼结构的柔性日趋增大，变形加剧，发动机推力和质量效应对机翼颤振速度的影响更为显著。此外，现代民用客机和军机大都以跨声速巡航。因此，研究跨声速下发动机推力对机翼颤振特性的影响对飞行器的设计和稳定性分析具有重要的理论和工程应用价值。.本项目研究了考虑发动机推力的机翼结构有限元建模方法，将发动机和吊挂视为集中质量节点，研究发动机质量和安装位置对结构模态和特征频率的影响，研究机翼在随动力作用下的模态变化；研究将发动机推力视为随动力作用下，结构运动方程的建立方法。由于随动载荷的加入，会破坏系统刚度矩阵对称性，在平衡位置处的动力学方程得到的特征向量不正交，如何确定结构广义运动方程是进行颤振特性分析的关键；研究以N-S方程为基础模拟发动机动力效应的仿真方法；研究跨声速下考虑发动机推力影响的非线性颤振分析方法，比较考虑发动机动力和通气发动机模型在跨声速下机翼的气动弹性稳定性；研究发动机推力，吊挂质量，安装位置，机翼弯扭刚度等参数对颤振特性影响规律。.本项目研究结果表明：发动机的位置越靠近机翼根部，推力对颤振特性的影响就越小；安装发动机时还应考虑将发动机安装在机翼弹性轴之前，以提高系统的气动稳定性；发动机质量越大，机翼越易发生颤振。本项目发展的基于CFD耦合Simo梁理论有限元建模的非线性颤振仿真方法，在结构方面丰富了大柔性梁结构的建模方法，并为分析翼吊式机翼的气动弹性特性提供技术手段；本项目所获得的研究成果为研究跨声速巡航下采用翼吊式气动布局的军机／民机的发动机推力对机翼颤振特性的影响提供了理论参考。