基于不计入巡航变形影响的刚体载荷弹性修正方法研究

王建礼，孙明哲，周 彬

(中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心, 北京 102209)

作者简介：王建礼（1980—），男，工程师，博士，主要研究方向为民用飞机总体设计与结构优化，flyboyupc@163.com.

摘要：针对民机风洞试验数据不可直接用于结构设计计算的问题，提出了一种基于刚体风洞试验模型吹风数据的弹性修正方法。首先通过修正风洞试验数据，得到型架外形上的压力系数分布；然后以此为基础进行静气动弹性分析，筛选出2.5g和-1.0g工况下的关键载荷；最后以某型号飞机的风洞试验数据为依据进行实例分析，验证方法的适用性及关键载荷筛选的合理性。

关键词：风洞试验；型架外形；静气动弹性；关键载荷

中图分类号：V221+.3   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)12-0059-04

适航规章规定民用飞机的临界载荷工况是2.5g和-1.0g^［1］，且新型飞机的临界载荷必须由风洞试验数据产生，除非此新型飞机有以往类似型号设计经验，才可使用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法计算临界载荷。此外，由于飞机结构的弹性特征，必须考虑各部件弹性变形对气动载荷分布的影响。然而风洞试验通常采用以巡航外形为基准的刚体模型，其测得的数据是1g巡航状态下的压力分布，如果直接采用这套数据对飞行载荷进行静气动弹性修正，将导致飞机结构过度变形，基于此问题本文提出一种基于刚体风洞模型试验数据的弹性修正方法。

1 刚体载荷弹性修正方法

基于巡航外形下飞机刚体风洞试验模型数据的弹性修正方法流程如图1所示，主要步骤如下：1）获取飞机风洞试验数据，对巡航外形进行反向变形修正，得到型架外形；2）对每一飞行状态下的数据进行修正，得到型架外形上的气动压力分布系数；3）根据修正得到的型架外形气动数据，进行弹性载荷修正；4）筛选每一状态下的弹性载荷，得到对结构影响最大的关键载荷，作为结构设计的输入条件。

本文采用的研究方法包括气动力影响系数矩阵、气动结构插值、静气动弹性分析、型架外形修正和关键载荷筛选。

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1.1 气动力影响系数矩阵

飞机载荷计算需要对大量飞行工况（不同马赫数、攻角、高度、载重状态）进行分析。为了提高计算效率，本文将刚体风洞测压数据按照高阶面元法的方式存储成气动力影响系数矩阵^［2］，对于相同工况下的载荷计算只需读取该矩阵数据即可进行，从而大幅度节省计算时间。

1.2 插值方法

1.3 气动弹性分析涉及气动和结构两个学科，二者建模有着明显差异：气动数据点建立在模型表面，结构数据点则建立在内部承载部件上，两者之间数据传递的精度直接影响着气动弹性分析的准确性。本文根据飞机不同区域的建模特点采用3种不同的插值方法^［3-4］，即无限平板插值法、薄板插值法和梁插值法，将结构位移插值到气动模型上，并应用最小二乘法对插值曲线进行拟合以保证其光顺性。此外，这些插值方法也可以用于刚体风洞试验数据到气动模型的转换。