舵轴位置对全动舵面气动弹性稳定性影响
V ol 36No.3
Jun.2016
噪
声与振动控制NOISE AND VIBRATION CONTROL 第36卷第3期2016年6月
文章编号：1006-1355(2016)03-0081-04
舵轴位置对全动舵面气动弹性稳定性影响
史晓鸣，梅
睿，苏轶龙，梅星磊
（上海机电工程研究所，上海201109）
摘要：研究舵轴位置对全动舵面气动弹性特性的影响，用有限元方法分析舵面模态，当地流活塞理论计算非定常气动力，应用Lagrange 方程，建立基于模态坐标运动方程。结果表明：当舵轴在根弦相对位置从前向后移动过程中，失稳形态由颤振转变为发散，并引起临界动压突变现象。失稳形态转变位置会随着攻角增大而逐渐后移。在转变位置之前，颤振临界动压随着舵轴后移，呈现先减小后小幅度增大趋势；在转变位置之后，发散临界动压随着舵轴后移单调减小。
关键词：振动与波；气动弹性；颤振；发散；舵轴位置；全动舵面
中图分类号：V211.4
文献标识码：A
DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.017
Influence of Rudder Shaft Location on Aeroelastic Stability of an
All-moving Rudder
SHI Xiao-ming ,MEI Rui ,SU Yi-long ,MEI Xing-lei
(Shanghai Electro-mechanical Engineering Institute,Shanghai 201109,China )
Abstract :Influence of rudder shaft location on the aeroelastic characteristics of an all-moving rudder is investigated.The modals of the rudder are analyzed by means of finite element method.unsteady aerodynamic force is calculated using local piston theory.The dynamic equations are established based on Lagrange ’s equation.Results show that the destabilizing form changes from flutter to divergence with the rudder shaft location moving along the root chord from the leading edge to the trailing edge.The location of the destabilizing form changing moves backward with the increasing of the attack angle.The flutter critical dynamic pressure decreases initially and then increases slightly with the rudder shaft moving backward in front of the changing location.While the divergence critical dynamic pressure decreases monotonously with the rudder shaft moving backward behind the changing location.
Key words :vibration and wave;aeroelasticity;flutter;divergence;rudder shaft location;all-moving rudder
舵轴是舵机连接并操纵全动舵面的重要部件。目前在导弹工程设计中，主要是根据飞行包线内铰链力矩的分布进行舵轴位置设计，要求舵轴应尽量设计安排在使得铰链力矩较小的位置[1–3]。而舵轴位置的改变除了改变铰链力矩，亦将引起舵面模态的变化，对气动弹性稳定性产生影响。在工程设计中，增加刚度、施加配重等被动抑制方法是提高颤振边界的常用手段[4–7]，但此类方法往往带来额外的质量，影响飞行器的总体指标性能。而在设计阶段合理地布置舵轴位置，提高全动舵面的气动弹性稳定
收稿日期：2015-11-18基金项目：上海市科委青年科技启明星资助项目
(14QB1402400)
作者简介：史晓鸣(1981－)，男，江苏苏州人，高级工程师，博
士，主要研究方向为飞行器结构动力学、气动弹性力学。
E-mail:daybreakxmshi@https://www.wendangku.net/doc/6a14353197.html,
性，则不需要付出“罚重”的代价。但目前探讨舵轴位置对舵面气动弹性稳定性影响的公开报道文献比较少。因此，研究舵轴位置对舵面气动弹性稳定性的影响对工程设计具有重要意义。
本文以有限元方法计算舵面模态，当地流活塞理论计算非定常气动力，分析研究来流马赫数M ∞=3，攻角α=0°、5°、10°、15°、20°工况下，舵轴位置在根弦总长30%～70%范围内变化对小展弦比后掠梯形舵面气动弹性稳定性的影响及变化规律。
1计算方法
应用Lagrange 方程，并忽略结构阻尼，舵面运动方程可写作
M ξ+K ξ=Q
(1)
式中M 、K 分别为模态质量、刚度矩阵，ξ为模态坐标，Q 为广义气动力