空军工程大学学报（自然科学版）考虑气动结构耦合的飞翼无人机嗡鸣振动许军1马晓平2（1.西北工业大学航空学院，西安，710072；。西北工业大学无人机所，西安，710065）翼的振动时域响应。首先建立较为详细的飞翼布局无人机的结构模型和气动模型，基于雷诺平均的N-S方程建立流体控制方程和结构动力学方程的耦合求解技术；气动计算中的网格变形技术采用非结构动网格，其中动网格更新技术采用弹簧近似光滑和局部网格重构组合方法；基于LU-SGS子迭代的时间推进技术和HLLEW的空间离散方法进行气动数据的计算，湍流模型采用SST湍流模型，采用三维插值技术进行气动与结构耦合界面结构变形位移与气动力载荷之间数据的传递；在方向舵转轴端部设置方向舵偏转运动的约束方程；基于提出的气动结构松耦合方法计算飞翼无人机方向舵偏转引起的方向舵嗡鸣和全机的方向舵、副翼、升降舵及襟翼振动的时域响应；并研究了旋转角频率参数变化对飞翼无人机全机振动响应特性的影响。研究表明旋转角频率对方向舵的偏转响应和副翼、升降舵及襟翼的振动响应频率影响较大。

　　基金项目：国家自然科学基金（（1074155）陕西省自然科学基金（2013M015）引用格式：许军，马晓平。考虑气动结构耦合的飞翼无人机嗡鸣振动。空军工程大学学报：自然科学版，01，17（3）新型大展弦比无人机在飞行过程中面临流动分离、气动干扰使得结构和气动之间的相互耦合愈来愈复杂。国内外一些飞机和导弹在试飞中发生过嗡鸣，导致飞机结构破损。

　　Le等研究了非定常气动力计算中变形风格技术；王军利3研究了基于改进非结构网格计算了跨音速非定常绕流特性；安效民研究了映射推进技术在气动弹性中的应用；Rampurawsla研究了复杂结构的颤振计算，陈志敏研究了跨音速的静气动弹性响应；对于跨音速操纵面嗡鸣颤振的研究较少，刘千刚研究了嗡鸣的分叉特性及结构参数敏度的影响；许军研究了飞翼无人机的嗡鸣气动弹性响应；杨国伟基于多块结构网格研究了副翼嗡鸣；张伟伟研究了控制面颤振特性。

　　国内外嗡鸣较少，且大多集中于标准算例的验证。本文以CFD/CSD松耦合技术为基础，建立飞翼无人机结构模型和气动模型，气动与结构交界面匹配，并选取三维插值进行界面载荷传递。

　　方法气动结构耦合迭代方法目前工程计算较为通用松耦合技术，即分别独立求解结构动力学方程和气动控制方程，在耦合界面上进行结构变形位移和气动力双向数据的传递，交错时间推进获得气动结构耦合计算响应。气弹问题基本方程为：式（1）为结构动力学方程；式（2）为积分形式的非定常N-S方程组；式（3）分别为交界面上的法向力平衡和位移相容条件。各符号定义，见。

　　2飞翼无人机模型飞翼无人机采用内、外翼飞翼布局，翼身高度融合，机身结构为半硬壳式的，由横向隔框、纵向肋及上下蒙皮构成；机身结构中共有8个框，4根肋；内翼结构由壁板、大梁、翼肋组成，内翼有4根梁、6个肋，内翼后缘布置一个舵面为襟翼；前梁之前为前缘，前缘通过前梁缘条与主翼盒蒙皮搭接，后梁之后为舵面，外翼后缘共有3个舵面，从外向内依次是方向舵、副翼和升降舵；外翼肋包括普通肋和加强肋。

　　无人机结构模型材料为LY2024，无人机模型见。飞翼无人机嗡鸣响应计算采用半模，细网格建模有利于气动结构数据的高精度耦合传递，CFD/CSD耦合计算的耦合面包括机身、内翼、外翼、方向舵、副翼、升降舵和襟翼。

　　无人机结构模型3气弹分析本节先计算M6机翼谐和振动的非定常气动力，其瞬间迎角方程是：角为am=6，减缩角频率为是=0.14.3分别给出了65展向剖面处瞬间总升力系数C和瞬间总力矩系数C m随瞬间迎角变化曲线和压力系数。

　　首先采用CFD/CSD松耦合方法计算飞翼无人机的气弹响应，计算状态为H=6km，Ma=0.82，气动结构耦合计算时间步长为0.000 1s，气动收敛误差为1e―6，基于雷诺平均的N-S方程模拟气动力，湍流模型采用SST湍流模型，采用基于LU-SGS子迭代的时间推进技术和HLLEW的空间离散方法进行求解，动网格技术采用弹簧近似光滑和局部网格重构方法。给出了外翼梢前缘点及不同舵面位置位移响应。从图中可看出各个舵面的位移响应逐渐收敛；且方向舵与副翼、升降舵及襟翼相比有较大位移。

　　（a）总升力系数（b）总；S矩系数（b）不同舵面非定常气动特性不同位置位移响应4方向舵嗡鸣bookmark7方向舵旋转的约束模型见。舵面的约束施加在飞翼无人机半模的结构模型中，对方向舵转轴的2个端面分别在柱坐标系下施加约束，其中方向舵的旋转方向定义在柱坐标系的Y方向，在嗡鸣响应分析中同时对机身根部施加固定约束。本文的飞翼无人机方向舵舵面运动方程为：方向舵旋转的约束为不同时刻方向舵偏转的结构变形云图，从图中可看出不同时刻方向舵的位置和变形区域有所不同。

　　65展向剖面压力系数（a）外翼前缘不同位置响应（a）为给定计算状态下方向舵舵面偏角随时间响应历程，从图中可看出开始时偏角响应幅值均较大，随着时间增大偏角逐渐稳定；（b）为全机不同舵面振动位移响应，从图中可看出方向舵位移整体较大，襟翼位移响应与其它各个舵面相比小。

　　不同时刻舵面结构变形云角频率参数分析为旋转角频率参数对方向舵外梢和内梢点角度的影响，从图中可看出：不同方向舵旋转角频率对外梢和内梢点偏角响应较大，且旋转角频率增大，偏角响应频率也增大。

　　角频率对偏角影响（b）副翼位移（d）襟翼位移频率对位移影响为旋转角频率对振动位移影响。从图中可看出旋转角频率对方向舵振动响应频率影响较大，且旋转角频率增大振动响应频率也增大。

　　6结论本文通过气动结构耦合技术研究了飞翼无人机方向舵旋转引起的嗡鸣响应及全机振动响应，得到以下结论：方向舵旋转引起的嗡鸣响应问题中，方向舵外缘梢部的偏角响应比其它监测点剧烈。

　　方向舵旋转角频率对飞翼无人机方向舵旋转引起的方向舵嗡鸣及全机振动响应频率有较大影响；且随着旋转角频率增大，方向舵嗡鸣响应及全机振动响应的频率也增大。

　　飞翼无人机方向舵偏转引起的嗡鸣响应中，方向舵的结构变形为严重，而机身、内翼及襟翼受到的影响较小。