基于ansys的機(jī)翼振動模態(tài)分析

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1、機(jī)翼模型的振動模態(tài)分析摘要:本文在ANSYS13.0平臺上,采用有限元方法對機(jī)翼模態(tài)進(jìn)行了建模和數(shù)值分析,為機(jī)翼翼型的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1.引言高空長航時飛機(jī)近年來得到了世界的普遍重視。由于其對長航時性能的要求,這種飛機(jī)的機(jī)翼往往采用非常大的展弦比,且要求結(jié)構(gòu)重量非常低。大展弦比和低重量的要求,往往使得這類結(jié)構(gòu)受載時產(chǎn)生一系列氣動彈性問題,這些問題構(gòu)成飛行器設(shè)計(jì)和其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不利因素,解決氣動彈性問題歷來為飛機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。顫振的發(fā)生與機(jī)翼結(jié)構(gòu)的振動特性密切相關(guān)。通過對機(jī)翼模態(tài)的分析,可以獲得機(jī)翼翼型在各階頻率下的模態(tài),得出振動頻率與應(yīng)變之間的關(guān)系,從而可以改

2、進(jìn)設(shè)計(jì),避免或減小機(jī)翼在使用過程中因?yàn)檎駝右鸬淖冃巍M瑫r,通過實(shí)踐和實(shí)際應(yīng)用,可以掌握有限元分析的方法和步驟,熟悉ANSYS有限元分析軟件的建模和網(wǎng)格劃分技巧和約束條件的確定,為以后進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。2.計(jì)算模型一個簡化的飛機(jī)機(jī)翼模型如圖1所示,機(jī)翼的一端固定在機(jī)體上,另一端為懸空自由端,該機(jī)翼沿延翼方向?yàn)榈群穸龋嘘P(guān)的幾何尺寸見圖1。圖1.機(jī)翼模型簡圖在分析過程采用直線段和樣條曲線簡化描述機(jī)翼的橫截面形狀,選取5個keypoint,A(0,0,0)為坐標(biāo)原點(diǎn),同時為翼型截面的尖點(diǎn);B(0.05,0,0)為下表面輪廓截面直線上一點(diǎn),同時是樣條曲線BCDE的起點(diǎn);

3、D(0.0475,0.0125,0)為樣曲線上一點(diǎn)。C(0.0575,0.005,0)為樣條曲線曲率最大點(diǎn),樣條曲線的頂點(diǎn);點(diǎn)E(0.025,0.00625,0)與點(diǎn)A構(gòu)成直線,斜率為0.25。通過點(diǎn)A、B做直線和點(diǎn)B、C、D、E作樣條曲線就構(gòu)成了截面的形狀,如圖2。沿Z方向拉伸,就得到機(jī)翼的實(shí)體模型,如圖1。圖2.機(jī)翼截面模型機(jī)翼材料的常數(shù)為:彈性模量E=0.26GPa,泊松比μ=0.3,密度。該問題屬于動力學(xué)中的模態(tài)分析問題。在計(jì)算結(jié)構(gòu)固有動力特性時,我們僅僅是計(jì)算少數(shù)低階模態(tài),因此可以選擇較少的網(wǎng)格,以提高計(jì)算的效率同時不影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。同時,計(jì)算固有特性時網(wǎng)格劃分

4、趨于采用較均勻的鋼格形式。這是因?yàn)楣逃蓄l率和振型主要取決于結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布和剛度分布,不存在類似應(yīng)力集中的現(xiàn)象,采用均勻網(wǎng)格可使結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的元素不致相差太大,可減小數(shù)值計(jì)算誤差??紤]到映射網(wǎng)格劃分方式對模型的要求比較高,建模時就必須將模型建成具有規(guī)則的體和面組成的模型。相反,自由網(wǎng)格對模型的要求不高,劃分簡單省時省力。選擇面單元PLANE42和體單元SOLID45進(jìn)行劃分網(wǎng)格求解。面網(wǎng)格選擇單元尺寸為0.00625,體網(wǎng)格劃分時按單元數(shù)目控制網(wǎng)格劃分,選擇單元數(shù)目為10。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3.圖4.圖3.機(jī)翼截面有限元網(wǎng)格劃分圖4.機(jī)翼有限元網(wǎng)格劃分對模型施加約束,由

5、于機(jī)翼一端固定在機(jī)身上所以在機(jī)翼截面的一端所有節(jié)點(diǎn)施加位移和旋轉(zhuǎn)約束,如圖5.圖5.對機(jī)翼模型施加約束1.有限元處理結(jié)果及分析機(jī)翼的各階模態(tài)及相應(yīng)的變形如表1及圖6.1.-6.5.表1機(jī)翼模態(tài)的各階頻率階次(SET)12345頻率Hz14.25761.44789.866138.19256.76圖6.1.一階振動模態(tài)圖6.2.二階振動模態(tài)圖6.3.三階振動模態(tài)圖6.4.四階振動模態(tài)圖6.5.五階振動模態(tài)從圖中我們可以看出在一階(14.257Hz)和二階(61.447Hz)振動模態(tài)下,機(jī)翼主要發(fā)生彎曲變形,并且離翼根越遠(yuǎn)變形量越大。在三階(89.866Hz)振動模態(tài)下,機(jī)翼發(fā)生

6、了彎曲變形和輕微的扭轉(zhuǎn)變形,彎曲變形大,機(jī)翼的外形發(fā)生明顯改變。在四階(138.19Hz)振動模態(tài)下,機(jī)翼主要發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形,變形程度近似與機(jī)翼的厚度成反比,在截面A點(diǎn)處發(fā)生最大的變形,變形對機(jī)翼的外形影響輕微。在5階(256.76Hz)振動模態(tài)下,機(jī)翼發(fā)生了嚴(yán)重變形,機(jī)翼變形復(fù)雜,彎曲為主,含有多種變形;中間弦線兩側(cè)發(fā)生方向相反的彎曲變形,外形變形嚴(yán)重。機(jī)翼的彎曲主要施加到機(jī)翼的梁和長桁上,而扭轉(zhuǎn)變形主要施加到機(jī)翼的翼肋和蒙皮上,對一階和二階振動,機(jī)翼可以加強(qiáng)梁和長桁的強(qiáng)度,避免發(fā)生過大的彎曲變形,對于四階的振動,機(jī)翼需加強(qiáng)翼肋或采用整體壁板,避免因扭轉(zhuǎn)變形導(dǎo)致機(jī)翼外形的改

7、變。三階和五階振動下機(jī)翼變形嚴(yán)重,種類復(fù)雜。如飛行中氣動彈性頻率與之接近則需要改進(jìn)飛機(jī)機(jī)翼的設(shè)計(jì),避開發(fā)生此種變形的振動區(qū)域。1.結(jié)論不同的振動頻率下,機(jī)翼的模態(tài)不同,變形的種類不同,變形大小不同。實(shí)際設(shè)計(jì)翼型時需要考慮飛行環(huán)境中氣動彈性的頻率,避免機(jī)翼發(fā)生過大的變形影響飛行安全。對于本文中的翼型,應(yīng)避免三階和五階振動下飛行環(huán)境,如果氣動彈性頻率在此范圍內(nèi)就需要更改翼型的設(shè)計(jì),并進(jìn)行分析。2.參考文獻(xiàn)[1]杜平安.結(jié)構(gòu)有限元分析建模方法.北京.機(jī)械工業(yè)出版社.1998[2]曾攀.有限元分析基礎(chǔ)教程.北京.清華大學(xué).

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