飞机阵风仿真分析：解决方案与应用

1.介绍

飞机在巡航及机动飞行过程中常常受到强烈的阵风和湍流的影响而产生气动力和力矩，往往带给飞机不希望的附加过载，其结果是破坏了所要求的飞行品质，使飞机承受很大的动态结构载荷，不但使飞机难于操纵，而且容易导致机体疲劳损坏。在恶劣的天气情况下，某些区域容易出现如阵风、雨以及其他复杂天气条件，尤其是阵风环境对飞行器的飞行稳定性、飞行控制和飞行安全产生很大影响，因此，飞机在飞行过程中要着重考虑阵风的影响。

2.分析的必要性

在没有先进的仿真分析软件工具时，工程师往往求助于风洞试验与飞行试验以及相关程序来评估设计的优劣和保证飞行任务的顺利完成。

然而，与风洞试验和飞行试验相比，数值计算方法分析阵风问题耗费小、周期短，同时风洞试验与飞行试验往往在设计后期进行，这时如果出现阵风响应破坏问题，更改产品设计的代价十分巨大，而阵风计算分析技术（CAE）可以在更早的设计初期发现并预测响应过大的问题，减少后期的设计更改。由于具有上述独特的优点，CAE方法（特别是基于紧耦合的NASTRAN阵风分析方法）受到了科研及工程技术人员的青睐，一直以来得以迅速发展。

现有的分析手段虽可以达到预测阵风响应的后果，然而，它往往基于一些程序，或者一些曲线结果来显示，而通过成熟软件仿真分析的三维结果更能体现阵风响应的情况及抑制的效果。

3.分析流程

通过MSC的Patran、Nastran、Flightloads、Adams和Easy5软件建设多学科联合仿真体系，即基于CAD的多学科（阵风响应-瞬态位移-多体动力学-控制）联合仿真系统。

4.MSC.FlightLoads直接建立气动模型；

Adams与Easy5可以实现活动翼面的阵风载荷减缓控制策略的机电液一体化仿真，其闭环系统工作原理可由下图进行描述，其工作流程如下：

1）在Adams中建立活动翼面的机构动力学模型；

2）在Easy5中建立阵风减缓控制系统模型及翼面驱动电液伺服系统模型；

3）通过Adams与Easy5之间的接口，建立机构模型与控制系统模型的闭环；

4）根据相关的结构和气动模型在Flightloads中定义一个气弹分析环境，执行静、动气弹分析以及阵风动响应分析计算；Nastran进行阵风响应分析得到的翼面振动位移作为系统仿真输入；

5）执行机电液一体化仿真，考察阵风减缓控制策略所起的作用。

综合考虑阵风控制系统统一的设计分析环节，列出如下步骤：

副翼控制系统建模
副翼机构建模
副翼刚柔耦合模型分析
飞机结构建模
气动建模
阵风响应分析（位移结果、应力等）
控制系统优化设计

图1 阵风分析及减缓系统分析流程

5.预期的效果

阵风载荷减缓分析方案是典型的机电液一体化仿真方案，目前有一些其它软件也能够提供这类分析功能，但是，阵风载荷减缓分析不仅包括机电液一体化仿真，还包括与Nastran集成的刚柔耦合计算，以及读取Nastran进行阵风载荷分析后的结构响应结果，能够比较完美地实现上述要求的，应该还是首推Adams/Easy5组成的阵风载荷减缓分析软件方案。

某无人机阵风响应分析的案例：