周景岳

摘 要：由于飛機(jī)是在高空作業(yè)且移動(dòng)速度快，所以極易受到風(fēng)力阻力的影響導(dǎo)致飛機(jī)的操作特點(diǎn)發(fā)生改變，并使機(jī)翼發(fā)生氣彈效應(yīng)。當(dāng)受到風(fēng)力的影響到達(dá)一定值時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)安全事故，而基于靜氣彈性能的風(fēng)力機(jī)翼型能夠有效地降低機(jī)翼對(duì)扭轉(zhuǎn)發(fā)散的敏感度，促使機(jī)翼能夠擁有良好的靜氣彈性能?；诖?，本文主要研究基于靜氣彈性能的風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)，希望對(duì)相關(guān)人員有所啟示。

關(guān)鍵詞：靜氣彈性能;風(fēng)力機(jī)翼型;設(shè)計(jì)研究

引言：

就目前情況而言，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的航空航天領(lǐng)域也得到了相應(yīng)的發(fā)展，飛機(jī)是航空航天領(lǐng)域必要的交通工具，同時(shí)也是現(xiàn)代社會(huì)的高科技產(chǎn)物，是促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必不可少的一種交通工具。而翼型作為風(fēng)力葉片的基本元素，既是風(fēng)能捕捉的源頭，也是葉片荷載的源頭，因此，開(kāi)展基于靜氣彈性能的風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)研究對(duì)于提高翼型的穩(wěn)定性十分重要。

1飛機(jī)中靜氣彈問(wèn)題

1.1氣動(dòng)荷載重分布與升力效率改變

首先，從氣動(dòng)荷載重分布的角度來(lái)看，當(dāng)機(jī)翼受到氣動(dòng)荷載時(shí)，機(jī)翼的內(nèi)力分布情況會(huì)發(fā)生變化，與傳統(tǒng)的剛性機(jī)翼不同的是，彈性機(jī)翼的在受到氣動(dòng)荷載時(shí)會(huì)發(fā)生變形，而當(dāng)機(jī)翼變形之后會(huì)導(dǎo)致氣動(dòng)荷載在機(jī)翼內(nèi)分布結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這就使得飛機(jī)不得不轉(zhuǎn)變自身的飛行角度來(lái)減小彈性機(jī)翼受到的影響，這就導(dǎo)致在實(shí)際操作過(guò)程中，飛機(jī)的操縱特性發(fā)生改變，操作難度增加，稍有不慎則會(huì)導(dǎo)致機(jī)翼受到影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)安全事故，這對(duì)飛機(jī)上的乘客及工作人員的生命安全帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅[1]。

其次，從升力效率改變的角度來(lái)看，由于彈性機(jī)翼受到了氣動(dòng)荷載的影響導(dǎo)致升力效率發(fā)生轉(zhuǎn)變，升力效率值越高，則說(shuō)明翼型靜氣彈性能越差，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)翼無(wú)法克服自身的重力，致使飛機(jī)的操作特性發(fā)生改變。

1.2扭轉(zhuǎn)發(fā)散與靜穩(wěn)定裕度變化

由于在實(shí)際飛行的過(guò)程中，彈性機(jī)翼容易受到風(fēng)力阻力的影響導(dǎo)致機(jī)翼變形，而當(dāng)機(jī)翼變形后機(jī)翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的作用力則會(huì)發(fā)生改變，從而使得機(jī)翼無(wú)法發(fā)揮靜穩(wěn)定平衡的功能，致使機(jī)翼的穩(wěn)定性嚴(yán)重下降，同時(shí)也使得機(jī)翼形成扭轉(zhuǎn)發(fā)散，扭轉(zhuǎn)發(fā)散的力量會(huì)導(dǎo)致機(jī)翼的扭轉(zhuǎn)位移發(fā)生改變，當(dāng)扭轉(zhuǎn)發(fā)散到達(dá)一定值時(shí)，機(jī)翼的焦點(diǎn)位置也會(huì)隨之改變，致使飛機(jī)的靜穩(wěn)定裕度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致飛機(jī)的操縱特性發(fā)生改變，操作難度增加，極易發(fā)生墜機(jī)時(shí)間[2]。

1.3副翼反應(yīng)

當(dāng)彈性機(jī)翼受到較大的外力影響時(shí)，反對(duì)稱副翼偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣動(dòng)滾轉(zhuǎn)力矩引起飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，致使副翼效率發(fā)生變化，當(dāng)飛行速度到達(dá)一個(gè)臨界值時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致副翼反效現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)而使得飛機(jī)的穩(wěn)定性嚴(yán)重降低。

2翼型靜氣彈性能

氣動(dòng)彈性力學(xué)屬于一種物理力學(xué)學(xué)科，其主要研究的是氣動(dòng)力、慣性力與結(jié)構(gòu)彈性之間的依賴程度的量，也就是氣動(dòng)力與慣性力、氣動(dòng)力與結(jié)構(gòu)彈性、慣性力與結(jié)構(gòu)彈性之間的耦合作用。氣動(dòng)彈性能與單純的固體力學(xué)和流體力學(xué)不同，固體力學(xué)與流體力學(xué)一般是研究固體與固體之間或流體與流體之間的作用力，而動(dòng)氣彈性能主要研究的是固體與流體之間的作用力，而這種作用力是流體力學(xué)給予固體力學(xué)或固體力學(xué)給予流體力學(xué)的，是兩者之間相互依賴的關(guān)聯(lián)作用力。靜氣彈性力學(xué)是結(jié)構(gòu)彈性與氣動(dòng)力之間耦合作用的分支，自靜氣彈性力學(xué)提出之后，便被廣泛的應(yīng)用于飛機(jī)、高樓等眾多領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，并取得了良好的應(yīng)用效果，經(jīng)過(guò)了近百年的發(fā)展，靜氣彈性能也經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，現(xiàn)階段，相關(guān)領(lǐng)域研究人員致力于研究更為復(fù)雜條件下的靜氣彈性能，其中，在風(fēng)力機(jī)翼型中應(yīng)用靜氣彈性能也得到了更加高效的求解方法[3]。

總體而言，翼型靜氣彈的扭轉(zhuǎn)剛度和平移剛度之間是正相關(guān)的關(guān)系，即扭轉(zhuǎn)剛度越大、平移剛度越大，若想降低扭轉(zhuǎn)剛度，就需要降低氣動(dòng)扭矩對(duì)攻角的敏感性，而氣動(dòng)扭矩的敏感性與平移剛度之間成正比的關(guān)系，且由于氣動(dòng)阻力對(duì)氣動(dòng)扭矩的作用力較小，故而在力學(xué)上可以將氣動(dòng)阻力忽略不計(jì)，因此，要想降低翼型靜氣彈的扭轉(zhuǎn)剛度，可以通過(guò)降低平移剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，由于當(dāng)翼型發(fā)生扭轉(zhuǎn)位移時(shí)，翼型的平移位移會(huì)隨著扭轉(zhuǎn)位移的改變而改變，因此，若想翼型的平移剛度，可通過(guò)減小升力的作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)?？傮w而言，翼型靜氣彈性能的公式如下所示。（其中：e為翼型氣動(dòng)中心距剛心的無(wú)量綱距離，θ為扭轉(zhuǎn)位移，CM為俯仰力矩系數(shù)，CL為升力系數(shù)）

3靜氣彈性能的風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)的優(yōu)化模型與結(jié)果

3.1變量空間

本文所指的變量空間是在風(fēng)力機(jī)翼型內(nèi)的有效值，有效值越高，則說(shuō)明機(jī)翼的性能更完善，反之，則說(shuō)明機(jī)翼部分空間的使用效率不高。一個(gè)好的空間變量是提高機(jī)翼型使用性能的重要保障，但變量空間并不是越大越好，而是需要根據(jù)實(shí)際需求，結(jié)合機(jī)翼實(shí)際使用情況，促使變量空間內(nèi)的密度合理，從而降低無(wú)效空間，確保風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性。

就目前情況而言，傳統(tǒng)的葉片外側(cè)的薄翼型由于結(jié)構(gòu)彈性與氣動(dòng)力學(xué)之間的設(shè)計(jì)不科學(xué)，致使很容易產(chǎn)生氣彈效應(yīng)，致使機(jī)翼無(wú)法發(fā)揮其正常的功能與價(jià)值，同時(shí)也容易造成翼型的損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致危險(xiǎn)事故的發(fā)生，因此，傳統(tǒng)的葉片外側(cè)的薄翼型需要被替代，選擇氣動(dòng)性能好、靜氣彈性能高的翼型防止葉片外側(cè)。就目前情況而言，目前最新的翼型NACA 64618則是目前研發(fā)的性能最完善的翼型。

NACA 64618主要是對(duì)傳統(tǒng)的薄翼型進(jìn)行了空間變量上的優(yōu)化，在保證外形相近的基礎(chǔ)上，縮小了翼型的空間變量，從而減少了翼型上的無(wú)效值，提高翼型的使用效率，從而使得翼型穩(wěn)定的發(fā)揮其正常功能。

3.2目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)主要是指翼型的靜氣彈性能，其中，靜氣彈性能指數(shù)越小，則說(shuō)明翼型的彎曲彈性能與扭轉(zhuǎn)其彈性能越好，這也就表示翼型不易出現(xiàn)氣彈效應(yīng)。再將目標(biāo)函數(shù)細(xì)分為彎曲彈性能（ε）與扭轉(zhuǎn)氣彈性能（p）。

首先，從彎曲彈性能（ε）上來(lái)看，彎曲彈性能（ε）主要用來(lái)表示氣動(dòng)升力變化值，這也就說(shuō)明，氣動(dòng)升力變化值越小，彎曲彈性能（ε）越小，則彎曲彈性能越好，彎曲彈性能（ε）公式如下所示。（其中，F(xiàn)L為氣動(dòng)升力變化值）

其次，從扭轉(zhuǎn)氣彈性能（p）上來(lái)看，從扭轉(zhuǎn)氣彈性能（p）主要來(lái)表示氣動(dòng)扭轉(zhuǎn)的變化值，氣動(dòng)扭轉(zhuǎn)的變化值越小，則說(shuō)明氣動(dòng)扭轉(zhuǎn)做的功越小，而氣動(dòng)扭轉(zhuǎn)做的功越小，則說(shuō)明扭轉(zhuǎn)位移對(duì)扭轉(zhuǎn)發(fā)散的作用力越小，進(jìn)而能夠提高扭轉(zhuǎn)氣彈性能（p）的性能，扭轉(zhuǎn)氣彈性能（p）公式如下所示。（其中，表示氣動(dòng)扭轉(zhuǎn)的變化值）

3.3優(yōu)化結(jié)果

從扭轉(zhuǎn)位移的角度來(lái)看，NACA 64618翼型對(duì)氣動(dòng)扭轉(zhuǎn)敏感度更小，因此，在實(shí)際使用過(guò)程中不容易受到氣動(dòng)扭轉(zhuǎn)位移的影響，穩(wěn)定性更高，同時(shí)也能夠發(fā)揮更大的效率。同時(shí)，氣動(dòng)升力變化值較小，這說(shuō)明機(jī)翼不容易發(fā)生氣彈效應(yīng)，說(shuō)明平移位移不容易受到扭轉(zhuǎn)位移的影響，氣動(dòng)性能的穩(wěn)定性較高。由此可見(jiàn)，NACA 64618這一利用靜氣彈性能理論的風(fēng)力機(jī)翼型能夠有效抑制葉片對(duì)陣風(fēng)的敏感性，提高了翼型的使用性能及安全性能，同時(shí)也對(duì)葉片的扭轉(zhuǎn)發(fā)散有著一定的作用，因此，NACA 64618翼型更適合應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)當(dāng)中。

結(jié)論：綜上所述，彈性問(wèn)題給飛機(jī)的使用性能及使用安全帶來(lái)了嚴(yán)重的影響，若不及時(shí)解決，則會(huì)嚴(yán)重限制我國(guó)航空領(lǐng)域的發(fā)展。因此，在風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮靜氣彈性能，降低風(fēng)力機(jī)翼對(duì)扭轉(zhuǎn)發(fā)散的敏感度，提高抑制葉片的扭轉(zhuǎn)發(fā)散能力，在傳統(tǒng)彈性翼型的基礎(chǔ)上，改變空間變量，提高機(jī)翼的使用效率，同時(shí)針對(duì)彎曲彈性能與扭轉(zhuǎn)其彈性能分別設(shè)置不同的目標(biāo)函數(shù)，提高靜氣彈性能，從而提高飛機(jī)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏生林;趙利霞;黃祥.中等展弦比飛翼無(wú)人機(jī)靜氣動(dòng)彈性研究[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2019，12（15）：77-78.

[2]萬(wàn)春華;聶小華;王立凱.復(fù)合材料翼面結(jié)構(gòu)靜氣彈分析[J].纖維復(fù)合材料，2020，08（15）：14-15.

[3]李闖.低風(fēng)速長(zhǎng)葉片風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)分析及優(yōu)化研究[D].江西：太原科技大學(xué)，2018.