[航空仿真]-如何让飞行器飞得更安全-颤振分析

飞机颤振是一种复杂的气动弹性不稳定现象，会对飞机飞行安全构成极大的威胁。颤振是一种自激振动，属于一种不稳定现象。当飞机在气流中运动并到达某一速度时，在非定常空气动力、惯性力和弹性力的相互作用下，刚好使其振动持续下去，就发生颤振，该飞行速度即为颤振临界速度。

本教学案例演示了使用KE方法对通用运输机（GTA） 模型进行颤振分析。

在开始之前，请将本教程中使用的文件复 制到您的工作目录。

http://majorv\.help\.altair\.com/minorv/simulation/tutorials/hwsolvers/optistruct/OS\-T\-8030/aeroelasticity\_flutter\.zip

预处理是使用OptiStruct用户配置文件中的Altair HyperWorks完成的。使用具有现有结构和气动弹性数据的模型作为基础模型，本教程演示了如何创建特定于颤振分析的实体。

颤振是一种动态不稳定性，其中柔性物体上的空气动力学载荷与其固有的振动模式相结合，产生振幅增加的振荡运动。

使用颤振分析，可以确定给定高度的避免颤振的临界速度。一旦确定，设计人员的目标是避免他们的系统接近这个临界速度。

包括以下练习：

• • 使用KE方法定义颤振分析
• • 定义与特征值相关的复杂条目
• • 提交作业
• • 对结果进行后处理

一. 启动HyperWorks并导入模型

有关获取教程模型文件的更多详细信息，请参阅访问模型文件。本教程所需的模型文件为aeroelasticity_flutter.fem

1. 1. 将模型文件复 制到您的目录。
2. 2. 启动HyperWorks。
3. 3. 在菜单栏中，单击File>Import>Solver Deck。
4. 4. 选择模型文件，然后单击Open。
5. 5. 在Solver Import Options对话框中，对于Reader，选择OptiStruct。

将加载OptiStruct用户配置文件。HyperWorks的功能与相应的模板、宏菜单和导入阅读器配对，以便在OptiStruct中创建模型。

图1.HyperWorks中的OptiStruct用户配置文件

1. 6. 单击Import，基础模型将加载到HyperWorks中。

图2.飞机基本模型

二、 打开Aeroelasticity Browser

Aeroelasticity Browser对于本教程中即将执行的任务非常有用。

1. 1. 在菜单栏中，单击View>Ribbons>Aeroelasticity。

Aeroelasticity功能区将显示在菜单栏上。

1. 2. 在Aeroelasticity功能区上，将鼠标悬停在任意工具组上，然后单击出现的卫星图标。Aeroelasticity Browser打开。

图3.访问Aeroelasticity Browser

三、 设置模型

1. 3.1  创建AERO条目
   在此步骤中， 将创建AERO条目以定义参考参数。  

1. 1. 在Aeroelasticity Browser中，展开AeroModule。
2. 2. 右键单击Controls文件夹并选择Create>AERO。在Controls下创建AERO的Collector。

1. 3. 输入AERO的值，如图    

   4所示。    

      

      

图4.AERO Entry的定义

在此步骤中，MKAERO1条目用于定义Mach数和降低频率表。将创建两个MKAERO1条目，因为每个MKAERO1条目最多只允许8个字段。这些值以及AERO条目中的参考密度用于计算空气动力学矩阵。

6. 选择。

图5.First MKAERO1 Entry的定义

1. 1. 输入您选择的名称。在本教程中，Collector称为MKAERO1_2。
2. 2. 使用图6中的值来表示降低的频率。

图6.第二次MKAERO1条目的定义

3.3 创建FLFACT条目

在此步骤中，创建了三个FLFACT条目来定义三组空气动力学因子- 马赫数Mi、降低频率Kj和密度比ρk。

图7.使用IDS的FLFACT Entry的定义

1. 1. 输入为Collector选择的名称。在本教程中，Collector称为FLFACT_MACH。此条目用于指定马赫数。
2. 2. 对于Num Factors，输入1。
3. 3. 对于F，输入0.3。

1. 1. 对于FORMAT，从下拉菜单中选择THRU_FORMAT。这定义了要使用初始值、最终值和中间值定义的空气动力学系数值。有关更多详细信息，请参阅参考指南。
2. 2. 输入为Collector选择的名称。在本教程中，Collector称为FLFACT_RFREQ。此条目用于指定降低的频率。
3. 3. 在Browser中输入值，如图8所示。

图8.使用THRU_FORMAT的FLFACT Entry的定义

3.4 创建FLUTTER条目

在此步骤中，FLUTTER条目用于定义Flutter分析设置。上一步中定义的FLFACT条目也在此FLUTTER条目中引用。

1. 1. 在气动弹性Browser中，右键单击Aero Loads文件夹，然后选择Create>Aero Loads>FLUTTER。
2. 2. 输入为Collector选择的名称。在本教程中，Collector称为FLUTTER。

1. 3. 对于METHOD，从下拉菜单中选择KE。这使得KE方法可用于颤振分析。

1. 4. 引用以前创建的FLFACT条目。
2.        1. 对于DENS，请单击并选择。

1. 2. 在高级选择对话框中，选择您为密度比创建的FLFACT条目，然后单击OK。
2. 3. 对于MACH，选择您为Mach编号创建的FLFACT条目。
3. 4. 对于RFREQ，选择您为降低频率创建的FLFACT条目。
1. 5. 对于IMETH，从下拉菜单中选择L。

这会将插值方法设置为linear。

图9.FLUTTER Entry的定义

3.5. 创建EIGRL条目

在颤振分析中，OptiStruct使用模态方法，其中选定频率范围内的结构-振动模式用作dof。因此，定义了EIGRL批量数据输入。

1. 1. 在Aeroelasticity Browser中，展开StructureModule。
2. 2. 右键单击Eigenvalues并选择Create>EIGRL。EIGRL的Collector在Eigenvalues下创建。

1. 3. 输入为Collector选择的名称。在本教程中，Collector称为EIGRL。

1. 4. 输入如图10所示的值来定义条目。

图10.EIGRL条目的定义

3.6 创建PARM、VREF条目

颤振分析的输出可以以速度-阻尼（V-g） 和速度-频率（V-f） 曲线的形式进行后处理。 [PARAM，VREF]可用于将颤振分析的输出速度转换为不同的单位制。

此模型以mm、N、sec为单位构建。使用此参数将输出速度（以mm/sec为单位） 转换为节。

1. 1. 在Aeroelasticity Browser中，展开AeroModule。
2. 2. 右键单击Controls并选择Create>PARAM。在Controls下创建PARAM的Collector。

1. 13 在Collector中，向下滚动并选中VREF复选框。
2. 4. 对于VALUE，输入514.444。

这将颤振分析的输出速度除以514.444的值（毫米/秒= 1514.444节）。1. 创建Flutter Analysis SUBCASE

在此步骤中，之前创建的Bulk Data Entries将在Flutter Analysis SUBCASE中引用。

1. 1. 在Aeroelasticity Browser中，展开SolutionJobSetup。
2. 2. 右键单击Case Controls并选择Create>Subcases。
3. 3. 输入为Collector选择的名称。

在本教程中，Collector称为FLUTTER。

1. 4. 对于Analysis type ，从下拉菜单中选择Aerodynamic Flutter。
2. 5. 引用之前创建的Bulk Data Entries，如图11所示。

图11.Flutter分析的SUBCASE定义

四、 导出输入文件

在此步骤中，输入文件将导出到工作目录。稍后使用OptiStruct作为求解器来求解此文件。

1. 1. 在菜单栏中，单击File>Export>Solver Deck。
2. 2. 输入文件的名称。
3. 3. 单击Save。此时将打开Solver Export Options对话框。

1. 4. 在对话框中，接受默认选项。
2. 5. 单击Export。该文件现在位于您的工作目录中。

五、 提交作业

1. 1. 在Windows开始菜单中，选择Start>Altair 2022.3>Compute Console。
2. 2. 对于Input file，用于用于浏览工作目录以查找所需文件。

1. 3. 单击Open。
2. 4. 对于Options ，单击输入框。
3. 1. 在Select Solver Options对话框中，单击-nt复选框。

4. 2. 输入8作为参数。

5. 3. 单击OK。

6. 4. 单击-out复选框。

7. 5. 单击Apply Selected。
8. 6. 单击Close。
9. 7. 单击Run。

图12.Altair计算控制台

如果作业成功，则新的结果文件应位于工作目录中。如果存在任何错误，请在aeroelasticity_flutter.out文件中查找可能有助于调试输入模型的错误消息。

六、对结果进行后处理

查看Flutter分析摘要默认情况下，Flutter分析的摘要在.flt文件中可用。此ASCII文件可以在任何文本编辑器中查看。在KE方法的情况下，每个POINT对应于一个模式号。有关详细信息，请参阅参考指南中的.flt文件和用户指南中的Flutter分析。

图13.来自.flt文件的Flutter分析摘要

根据定义，当阻尼值为零时，会出现不稳定（颤振或发散）。此时，如果频率为零，则不稳定是由于发散造成的。否则，不稳定是由于Flutter引起的。在本教程的范围内（非零频率），解释了由颤振引起的不稳定性的确定。

1. 1. 查看.flt文件中的阻尼值。

每当阻尼值随着速度的增加而将符号从负变为正（并且不会返回负）时，每种模式都会发生不稳定性。

1. 2. 在此示例中，查看第7种模式。

颤振点出现在（KFREQ， 速度） =（0.5， 3.430E+02） 和（KFREQ， 速度） =（0.6111， 3.087E+02） 之间。

1. 3. 确定在阻尼值中显示类似变化的模式，以查找其他模式的颤振点。

在本教学案例中，颤振点出现在mode7、10、11和13处。

从V-g和V-f图确定振点

V-g和V-f图是一种更直观、更强大的后处理方式。在上一步确定的所有颤振点中，确定了对应于最低速度的颤振点。

1. 1. 在Aeroelasticity Browser中，选择颤振曲线工具。

图14.访问Flutter Curves工具

1. 2. 在Flutter Curves对话框中，导入.flt文件。
2. 3. 选择与mode 7、10、11和13相对应的曲线。
3. 4. 对于X轴，选择VELOCITY。
4. 5. 对于Y Axis，选择DAMPING。
5. 6. 选择Plot绘制V-g曲线。

图15.在Flutter Curve工具中绘制V-g曲线的步骤

1. 7. 确定颤振点（阻尼= 0时）。
1. 1. 找到对应于最低速度的颤振点。在此示例中，它被标识为第7种模式（Flutter点A）。这是必须避免的最关键的Flutter点。
2. 2. 进一步放大绘图以确定该颤振点的速度为327.668。

图16.识别Flutter点，与最低速度相对应的颤振点被直观地识别出来。

1. 8. 在Flutter Curves对话框中，仅选择第7种mode。
2. 9. 对于X轴，选择VELOCITY。
3. 10. 对于Y Axis，选择FREQUENCY。
4. 11. 选择Plot绘制V-f曲线。

图17.在Flutter工具中绘制V-f曲线的步骤

图18.从V-f曲线确定临界振荡点的频率值

通过这种方式，V-g和V-f图用于确定发生颤振的最低速度。然后确定系统的频率。从颤振模式的密度比中，可以了解到发生颤振不稳定的高度。然后，您可以致力于防止系统接近此速度和高度。