Резонанс крыла - флаттер эффект. Анализ и испытания

Резонанс крыла - флаттер эффект. Анализ и испытания

В современной авиационной диагностике есть два связанных между собой динамических испытания. Это наземные вибрационные испытания и испытание на флаттер (Flutter) эффект. Эти испытания проводят для конкретной конфигурации самолета для определения безопасной и устойчивой зоны полета.

Наземные вибрационные испытания - это динамические тесты конструкции самолета, в которых определяются резонансные частоты, частотные моды и демпфирующие свойства самой конструкции. Такие испытания проводят на земле, на самолете перед первым его полетом. Полученные результаты вибрационных испытаний сравниваются с компьютерной конечно-элементной моделью, используемой для предсказания поведения самолета в полете. Если результаты испытаний и поведение модели совпадают, самолет переводят на следующий уровень испытаний, которые обычно включают в себя наземные пробеги и исследование колебаний крыльев, хвостового оперения, и других элементов конструкции самолета в полете.

Непроизвольные «взмахи» крыльев, вибрационный резонансный изгиб крыльев, или как его еще называют флаттер эффект - явление, которое заставляет крылья и другие ключевые компоненты самолета бесконтрольно вибрировать в полете. Это явление происходит из-за перехода в резонанс сил аэроупругой нагрузки среды с демпфирующими силами, создаваемыми конструкцией самолета. Возникновение этого эффекта делает продолжение полета самолета, из-за угрозы его разрушения, невозможным.

Проявление флаттер эффекта на математической конечно-элементной модели самолета
Проявление флаттер эффекта на математической конечно-элементной модели самолета

Перед полетом реального самолета обязательно прогнозируются условия наступления флаттер эффекта который ограничивает устойчивую область полета (высота и скорость) у самолета. Аналитические предсказания флаттер эффекта проверяются на структурной элементной математической модели при наземных вибрационных испытаниях, а также на аэродинамической масштабной модели самолета, при испытаниях её в аэродинамической трубе.

После, расчеты проверяются и уточняются путем выполнения теста на флаттер эффект при полете реального самолета.

Разрушение самолета при флаттер эффекте
Разрушение самолета при флаттер эффекте

Важность учета флаттер эффекта

Флаттер эффект может происходить не только в воздухе. Такой эффект присущ любой среде. Для среды этот эффект можно описать так: флаттер эффект – это динамическая неустойчивость упругой конструкции в потоке среды (воздуха или жидкости), вызванная положительной обратной связью между отклонением тела и силой, создаваемой потоком среды.

Флаттер эффекта необходимо избегать, так как он может привести к катастрофическим событиям, и к полному разрушению самолета. Поэтому так важно, для получения абсолютной уверенности в предсказаниях, соответствие модельных прогнозов данного эффекта с результатами наземных испытаний.

Возможности возникновения флаттер эффекта нового самолета должны быть хорошо изучены.

Взаимодействие различных сил, действующих на самолет. Слияние этих сил может привести к нестабильному состоянию, называемому: флаттер эффектом.
Взаимодействие различных сил, действующих на самолет. Слияние этих сил может привести к нестабильному состоянию, называемому: флаттер эффектом.

После аналитических проверок и испытаний на земле, переходят к фактическому анализу флаттер эффекта при летных тестовых испытаниях. Методично и тщательно, производя тестовые испытания на разных высотах и скоростях полета, проверяется и расширяется зона устойчивого полета самолета.

Расширение зоны устойчивого полета. Тестовые измерения производится в определенных "точках полетных данных". Тестовые точки показаны в правой части графика.
Расширение зоны устойчивого полета. Тестовые измерения производится в определенных "точках полетных данных". Тестовые точки показаны в правой части графика.

Выполнение наземных вибрационных испытаний

Продолжительность наземных вибрационных испытаний может занимать от нескольких дней до нескольких недель, в зависимости от размеров самолета, количества измерительных каналов, количества различных конфигураций полезной нагрузки, миссии и т.д.

Планирование любых испытаний очень важно для обеспечения их эффективности. Чтобы время простоя нового самолета было сведено к минимуму, предварительно проводят испытания на масштабной элементно-конструктивной модели самолета. Модель используется для разработки и определения наиболее эффективной конфигурации вибрационных тестов, включая местоположения нагрузочных устройств и акселерометров, а также разработку тестов на проверку граничных условий.

Масштабная элементно-конструктивная модель самолета Конкорд (Concorde)
Масштабная элементно-конструктивная модель самолета Конкорд (Concorde)

Бывает так, что характеристики полета самолета существенно изменяются из-за дополнительных конфигураций полезной нагрузки (Рис.6) или даже от количества топлива в баках. Важно провести наземные вибрационные испытания и протестировать все конфигурации самолета, которые могут повлиять на летно-технические характеристики самолета.

В зависимости от типа воздушного судна, с помощью наземных вибрационных испытаний может быть испытано множество различных конфигураций нагрузки, а так же зависимость поведения самолета от количества топлива в баках.
В зависимости от типа воздушного судна, с помощью наземных вибрационных испытаний может быть испытано множество различных конфигураций нагрузки, а так же зависимость поведения самолета от количества топлива в баках.

Сбор данных при наземных вибрационных испытаниях.
Нагрузочное и измерительное оборудование

Вариантов нагрузки может быть значительное количество, поэтому времени для тестирования самолета может потребоваться много. Не редкость, когда для проведения одного теста по наземным вибрационным испытаниям требуется несколько нагрузочных вибрационных устройств (возбудителей) Рис.7, и большое количество, до сотен, акселерометров (примечание: акселерометр – прибор измеряющий величину приложенного ускорения).

Боковой возбудитель (слева) и вертикальный возбудитель (снизу) для авиационного двигателя.
Боковой возбудитель (слева) и вертикальный возбудитель (снизу) для авиационного двигателя.

Для всех вибрационных тестов важно обеспечить достаточную энергию возбуждения колебаний по всему объему тестируемого элемента, чтобы получить на выходе хорошую ответную реакцию на сигнал. Примеры различных сигналов возбуждения, доступные для испытаний.

Виды различных сигналов возбуждения для проведения наземных вибрационных испытаний. Некоторые из сигналов являются синусоидальными, а некоторые имеют случайных характер и представляют собой шумовой сигнал.
Виды различных сигналов возбуждения для проведения наземных вибрационных испытаний. Некоторые из сигналов являются синусоидальными, а некоторые имеют случайных характер и представляют собой шумовой сигнал.

Типичными сигналами возбуждения колебаний являются случайные импульсные или узкие пиковые гармонические сигналы, но для критических мод, важных для предсказания флаттер эффекта, используются другие сигналы, которые имеют чистую синусоидальную природу.

Режимы возбуждения: синусоидальный, ступенчатый и нормальный

Частными случаями синусоидальных режимов возбуждения являются: ступенчатые сигналы (меандр) и нормальный режим возбуждения.

Ступенчатый (меандр) — периодический сигнал прямоугольной формы, широко используемый в радиотехнике и электронике. Синтез прямоугольного сигнала происходит из сложения набора гармоник периодического синусоидального сигнала. Чем больше число гармоник, тем ближе сигнал к идеальной прямоугольной форме.

Настройка и изолирование определенного режима возбуждения, таким образом, чтобы он имел реакцию только с одной степенью свободы носит название нормального режима. Управляя амплитудой и фазой всех сил возбуждения в нормальном режиме можно получить прямую зависимость отношения ускорения в каждой движущей точке от приложенного возбуждения.

Фигуры Лиссажу используются для проверки резонансного состояния системы. Построение графика силы от ускорения в месте расположения движущей точки от двух нормальных режимов, имеющих сдвиг фаз, может показать это состояние. В случае сдвига фаз в 90 градусов график Лиссажу образует круг, как показано на рис. 7.

Примечание: Расположение движущей точки - это место, где одновременно прилагается сила и измеряется соответствующая реакция ускорения.

Примечание: Фигуры Лиссажу — траектории, прочерчиваемые точкой, совершающей одновременно два гармонических колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Впервые изучены французским учёным Жюлем Антуаном Лиссажу.

Фигуры Лиссажу. Зеленый цвет – фазы графиков сдвинуты на 90 градусов
Фигуры Лиссажу. Зеленый цвет – фазы графиков сдвинуты на 90 градусов

Обычно в испытаниях используется несколько возбудителей колебаний, реакции от каждого из которых учитываются одновременно. Поскольку между возбудителем и ответной реакцией существует связь, которую в нормальных режимах можно зафиксировать и оценить, то для подсчета фазы от нескольких возбудителей требуется матричная оценка фазы возбуждения.

В «древние времена» измерения проводились высококвалифицированным тест-оператором, который отслеживал показания датчиклов сразу по нескольким графикам Лиссажу. В настоящее время компьютерные программы автоматически выполняют такие операции, обрабатывая одновременно большое количество информации для проверки резонансных условий. Пример окна программы с отображением показаний для нормальных режимов.

Скриншот программы обработки нормальных режимов с графиками Лиссажу (внизу)
Скриншот программы обработки нормальных режимов с графиками Лиссажу (внизу)

Из-за трудоемкого характера испытаний обычно выбирают только 2 - 3 режима, которые имеют решающее значение для анализа флаттер эффекта. Варьирование амплитуд возбуждения позволяет оценить линейный диапазон частот эффекта, а правильное определение модальных параметров демпфирования, имеет важное значение для точного прогнозирования эффекта.

Тестирование и демпфирование в нормальном режиме

При нормальном режиме частотные характеристики не вычисляются. Формы мод получаются непосредственно из показания оборудования. Результат частотного демпфирование не содержится в результатах нормального режима, и поэтому должен быть получен с помощью дополнительного расчета на демпфирование. На рисунке 9 показана программа для расчета частотного демпфирования.

Расчет экспоненциального затухания
Расчет экспоненциального затухания

Есть несколько методов, доступных для расчета частотного демпфирования, в том числе:

  • Логарифмический декремент колебаний с использованием преобразования Гильберта;
  • Метод комплексной энергетики;
  • Метод квадратуры сил, и т.п.

Обработка данных при наземных вибрационных испытаниях: модальный анализ

Используя собранные данные: резонансные частоты, моды и затухание, полученные при разнообразных тестах, будь то тесты с широкополосными случайными сигналами, синусоидальными сигналами, либо ступенчатыми, формируется компьютерная конечно-элементная модель поведения самолета в полете. Результат расчета флаттер эффекта показан на рисунке.

Форма крыльев самолета F-16, при проявлении флаттер эффекта, рассчитанная на основе показаний, собранных во время наземных частотных испытаний
Форма крыльев самолета F-16, при проявлении флаттер эффекта, рассчитанная на основе показаний, собранных во время наземных частотных испытаний

Как уже упоминалось, частотные данные для нормальных режимов являются прямым результатом снятия показаний с измерительного оборудования.

Полученные частотные параметры тестовых режимов, в современных испытаниях, сразу оцениваются, на испытательном полигоне, путем сравнения с ожидаемыми результатами компьютерного анализа и прогнозов. Предварительная оценка проводится для того, чтобы убедиться в отсутствии каких-либо явных различий, до того, как измерительное оборудование будет демонтировано. Компьютерные конечно-элементные модели, расчётная и тестовая, прямо в программе Simcenter Testlab, путем импорта результатов моделей в формате NASTRAN или ANSYS, накладываются друг на друга, и сравниваются.

Примечание:

Программная система Simcenter Testlab - это пакет для сбора данных, их анализа и моделирования. Система предназначена для проектирования изделий с заданными характеристиками на основе результатов испытаний по основным эксплуатационным характеристикам: вибрационным, акустическим, нагрузочным, усталостной прочности.

MSC Nastran - конечно-элементная система, обеспечивает полный набор расчетов, включая расчет напряженно-деформированного состояния, запасов прочности, собственных частот и форм колебаний, анализ устойчивости, исследование установившихся и неустановившихся динамических процессов, решение задач теплопередачи, акустических явлений, нелинейных статических и нелинейных переходных процессов, анализ сложного контактного взаимодействия, расчет критических частот и вибраций, анализ частотных характеристик при воздействии случайных нагрузок и импульсного широкополосного воздействия, исследование аэроупругости на дозвуковых и сверхзвуковых скоростях.

ANSYS — универсальная программная система для конечно-элементного анализа. Программа является популярной у специалистов в сфере автоматизированных инженерных расчётов (САПР) и решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики конструкций.

Вывод

Наземные вибрационные испытания вместе с испытаниями в аэродинамической трубе используются для проверки конструктивных и аэродинамических моделей, которые в сочетании приводят к более точному прогнозированию флаттер эффекта.

Предсказание и моделирование флаттер эффекта, в настоящее время, является лишь операциями на компьютерной модели, в то время как тестовые полетные испытания становятся окончательной проверкой того, что зона стабильного полета избавлена от проявления этого эффекта.

Для статьи использовалась информация с сайтов компаний PRODERA и Siemens Industry Software

+7 (495)308-90-60


+7 (495) 308-90-60
Оставить заявку

+7 (495) 308-90-60