基于ansys的機翼振動模態(tài)分析

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1、機翼模型的振動模態(tài)分析摘要：本文在ANSYS13.0平臺上，采用有限元方法對機翼模態(tài)進行了建模和數(shù)值分析，為機翼翼型的設(shè)計和改進提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1.引言高空長航時飛機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，這種飛機的機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)計和其它結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不利因素，解決氣動彈性問題歷來為飛機設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)。顫振的發(fā)生與機翼結(jié)構(gòu)的振動特性密切相關(guān)。通過對機翼模態(tài)的分析，可以獲得機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、進設(shè)計，避免或減小機翼在使用過程中因為振動引起的變形。同時，通過實踐和實際應(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，為以后進一步的學(xué)習(xí)和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。2.計算模型一個簡化的飛機機翼模型如圖1所示，機翼的一端固定在機體上，另一端為懸空自由端，該機翼沿延翼方向為等厚度，有關(guān)的幾何尺寸見圖1。圖1.機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翼的橫截面形狀，選取5個keypoint，A（0,0,0）為坐標(biāo)原點，同時為翼型截面的尖點;B（0.05，0，0）為下表面輪廓截面直線上一點，同時是樣條曲線BCDE的起點;

3、D(0.0475,0.0125,0)為樣曲線上一點。C(0.0575，0.005,0)為樣條曲線曲率最大點，樣條曲線的頂點；點E(0.025,0.00625,0)與點A構(gòu)成直線，斜率為0.25。通過點A、B做直線和點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，就得到機翼的實體模型，如圖1。圖2.機翼截面模型機翼材料的常數(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。在計算結(jié)構(gòu)固有動力特性時，我們僅僅是計算少數(shù)低階模態(tài)，因此可以選擇較少的網(wǎng)格，以提高計算的效率同時不影響計算的準(zhǔn)確性。同時,計算固有特性時網(wǎng)格劃分

4、趨于采用較均勻的鋼格形式。這是因為固有頻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.機翼截面有限元網(wǎng)格劃分圖4.機翼有限元網(wǎng)格劃分對模型施加約束，由

5、于機翼一端固定在機身上所以在機翼截面的一端所有節(jié)點施加位移和旋轉(zhuǎn)約束，如圖5.圖5.對機翼模型施加約束1.有限元處理結(jié)果及分析機翼的各階模態(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，機翼主要發(fā)生彎曲變形，并且離翼根越遠變形量越大。在三階（89.866Hz）振動模態(tài)下，機翼發(fā)生

6、了彎曲變形和輕微的扭轉(zhuǎn)變形，彎曲變形大，機翼的外形發(fā)生明顯改變。在四階（138.19Hz）振動模態(tài)下，機翼主要發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，變形程度近似與機翼的厚度成反比，在截面A點處發(fā)生最大的變形，變形對機翼的外形影響輕微。在5階（256.76Hz）振動模態(tài)下，機翼發(fā)生了嚴重變形，機翼變形復(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，外形變形嚴重。機翼的彎曲主要施加到機翼的梁和長桁上，而扭轉(zhuǎn)變形主要施加到機翼的翼肋和蒙皮上，對一階和二階振動，機翼可以加強梁和長桁的強度，避免發(fā)生過大的彎曲變形，對于四階的振動，機翼需加強翼肋或采用整體壁板，避免因扭轉(zhuǎn)變形導(dǎo)致機翼外形的改

7、變。三階和五階振動下機翼變形嚴重，種類復(fù)雜。如飛行中氣動彈性頻率與之接近則需要改進飛機機翼的設(shè)計，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，機翼的模態(tài)不同，變形的種類不同，變形大小不同。實際設(shè)計翼型時需要考慮飛行環(huán)境中氣動彈性的頻率，避免機翼發(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，并進行分析。2.參考文獻[1]杜平安.結(jié)構(gòu)有限元分析建模方法.北京.機械工業(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).