铝合金机翼模态分析

铝合金机翼模态分析

模态是机械结构的固有震动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析。振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。本文通过有限元方法，对铝合金机翼进行模态分析，了解其振动特性。

1结构模型

铝合金是应用最为广泛的航空材料，铝合金结构具有强度高，质量小的优点，被广泛的应用于机身和机翼的设计。本次使用的铝合金型号为6061，其密度为2.8g/cm3，弹性模量为E=68.9Gpa，泊松比为0.330，机翼的结构模型如下图1所示

图1.1机翼结构模型

假定该机翼为小型无人机机翼，整个机翼由蒙皮、主梁、辅助梁、翼肋组成。该机翼是弦长为100mm，展弦比为8的矩形直机翼。蒙皮厚度为1mm，主梁厚度为2mm，位于翼型最大厚度处，辅助梁的厚度为1mm，位于后缘1/4弦长处，端肋厚度为1mm，加强肋厚度为2mm。上图给出的是半个机翼的有限元分析模型，其右端固支在机身上。

1.数学模型

机翼的无阻尼固有振动方程为：

0)(2=Φ-M K ω （2.1）

式中：

结构的固有频率；结构的特征向量矩阵；

矩阵；

结构的刚度矩阵和质量--Φ-ωM K ,

结构离散化后，运动状态下，可以得到结构的动力平衡方程如下：

（2.2）

上式中{P (t )}为流体力矢量，结构在空气中自由振动时，此项为零。本次分析不考虑空气动力的影响，因此结构系统在空气中的无阻尼振动方程为

0}]{[]][[][][1=++δδδ

K C M (2.3) 2.机翼有限元模态分析

在对机翼模型进行模态分析之前首先要定义其材料属性为密度为2.8g/cm3，弹性模量为E=68.9Gpa ，泊松比为0.330，接着对其进行有限元网格划分，本次网格划分采用的是六面体结构化网格，网格大小为1mm ，网格数为，如图3.1-3.3所示

3.1 翼端处网格

)}({][}]{[][][1t P K C M =++δδ

3.2 翼身处网格

3.3 内部网格

划分完网格后，对机翼的右端加固定支撑，因为在无人机实际飞行过程中，机翼可以认为是固定在机身上的，如图3.4所示

3.4 根部固支

接下来要做的就是定义有限元分析类型，本次分析选择的有限元分析类型为Block Lanczos法，这种方法是一种功能十分强大的方法，它经常应用于具有实体单元或壳单元的模型中，能够的到很好的刚体振型。取分析结果的前六阶模态进行分析，计算结果如图所示