气动载荷处理方法研究

气动载荷处理方法研究

高速运行飞行器受到气动载荷的影响比较大。为了分析这种影响需要将分布的气动载荷施加在结构中，完成结构的有限元分析。文章从气动载荷处理到载荷筛选、载荷分配各个方面完整研究了气动载荷处理的方法。

标签：气动载荷；载荷筛选；载荷分配

近年来，我国航空航天各种飞行器技术的迅速发展。对于结构重量高度敏感的飞行器，重量是高度关注的焦点。为了提高飞行器的性能和有效载荷，飞行器设计过程中除了采用先进的材料以外，有效的设计结构也是非常重要的。为了更好的对结构设计进行优化，需要确定结构载荷，以便根据外载优化结构设计，得到最优设计方案。

1 气动载荷处理流程

气动载荷一般通过结构气动外形通过流体力学计算得到分布载荷，分布载荷主要形式为各外形面气动点的分布气压。处理气动载荷的一般流程：（1）将气动点气压积分到气动点的分布载荷；（2）通过气动总载对分布载荷进行修正；（3）将各气动载荷进行严重工况筛选；（4）将筛选后的载荷工况分配到结构有限元模型中。

2 气动载荷积分

根据气动网格上的压力分布，选择合理的作用面积，将Cp载荷分布转换为载荷点上的分布载荷（面积积分示意图如图1）。同时需要保证转换后的载荷与原Cp载荷应满足以下条件：

（1）保证各子部件的气动载荷分布；（2）保证各子部件处理后的載荷对各个站位的累计弯矩、剪力、扭矩与总体专业提供的累计弯矩、剪力、扭矩一致。（3）保证各子部件处理后的总载荷和总压心与Cp载荷一致。由于Cp分布每一点都不同，采用作用面积法积分得到的总载荷与原载荷存在误差，需要对积分后的载荷进行修正处理。此处可以采用“正弦修正法”进行修正。正弦修正曲线见图2。

3 气动载荷筛选

在实际计算中，由于飞行器在飞行和地面运动中随着运动状态和操纵面的变化会产生非常多的载荷工况。为了简化计算，提高效率，根据结构与载荷的线性关系，需要对各种气动载荷按照一定的筛选原则筛选出载荷工况极值以及符合筛选原则的工况进行载荷分配。其他载荷则由于载荷较小而被筛选出来的载荷所覆盖。筛选出来的极值载荷形成结构载荷包线。典型载荷包线见图3。

4 气动载荷分配

为了进行有限元计算，需要将气动节点上的载荷按照一定的原则分配到有限元节点。

根据“多点排方案”：

假设有限元节点和气动点之间有一根无形的梁元素（见图4），它是气动点一端固支有限元节点一端自由的悬臂梁。当自由端受分配到载荷Pi时，变形能为：

得：

即可得到各有限元节点所分配的载荷Pi。

5 结束语

气动载荷分配处理是进行结构校核计算的基础，决定了结构设计是否最优的基础条件。在进行载荷处理的过程中需要合理设计气压积分的面积，同是需要对积分载荷进行精细化修正，保证载荷总载总压心保持一致。在进行载荷分配时，合理选择气动点和结构有限元节点的分配关系，在保证平衡条件下的多个解中最优解，保证最终分配载荷与实际气动载荷的一致性。

参考文献

[1]飞机设计手册（第九册）载荷、强度和刚度[M].航空工业出版社，2001.