飞翼无人机嗡鸣气动弹性响应分析许军马晓平2（1.西北工业大学航空学院，陕西西安710072；2.西北工业大学无人机所，陕西西安710065）无人机的方向舵嗡鸣响应及其引起的副翼、升降舵及襟翼的振动时域响应特性。首先建立较为详细的无尾飞翼无人机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；气动与结构耦合交界面匹配，并选取三维插值技术进行耦合界面结构变形位移与气动力载荷数据的传递；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载荷的计算，湍流模型采用SST湍流模型；其中气动动网格变形技术采用非结构动网格，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。首先进行飞翼无人机气动弹性响应特性分析，验证松耦合技术的合理性并为方向舵偏转引起的嗡鸣响应分析提供；其次在方向舵嗡鸣响应分析时在方向舵转轴端部设置方向舵偏转运动的约束，基于提出的气动结构松耦合方法计算无尾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和飞行高度参数变化对飞翼无人机全机振动响应的影响。研究结果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；而飞行高度对嗡鸣气弹响应频率并没有影响；且方向舵是振动位移和结构变形的危险区域，研究方法及内容可为飞翼无人机工程振动分析提供。

　　新型无尾飞翼无人机具有大展弦比、轻质及柔性等结构特点，大展弦比无人机在飞行过程中面临流动分离、气动干扰等非线性现象，这使得结构响应和气动载荷之间的相互耦合愈来愈复杂，从而产生更加严重的非线性气动弹性问题。为了减小或者消除对飞行器飞行安全造成不利影响的气动弹性现象，需要发展一种高精度气动弹性计算方法a.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。飞翼无人机作为未来无人机发展的一个重要方向，对其进行动气弹特别是嗡鸣振动响应方面的研究具有较好的工程研究。

　　嗡鸣是种发生在跨音速飞行阶段的操纵面单自由度振动，副翼、方向舵等操纵面在一定的激波作用下会造成这些舵面及全机性振动，即操纵面嗡鸣问题。国外对于嗡鸣研究开始较早，Pak等0对标准NASP机翼的嗡鸣响应特性进行了分析；Parker等H在嗡鸣实验方面做了不少工作，其研究结果表明舵面是由于舵面上激波的运动和舵面振动之间的相位差造成的；David0运用隐式函数建立舵面偏转状态和铰链力矩之间的数学模型；Fuglsang等S基于CFD方法对控制面嗡鸣进行了仿真；Oddvar等63基于Euler方程研究了跨音速流动引起的副翼嗡鸣问题；Su等67采用等效片条的方法计算了跨音速的嗡鸣响应问题。国内对于嗡鸣研究较少，刘千刚等68首先将CFD技术用于嗡鸣研究，基于Hopf分岔方法分析嗡鸣及结构参数对嗡鸣的影响；史爱明等63对机翼嗡鸣进行数值模拟，并验证了扰流片对抑制嗡鸣的效应；张伟伟等610基于Euler方程分析了二维模型的B型和C型嗡鸣特性；杨国伟等611基于多块结构网格研究了副翼嗡鸣问题；马艳峰等M基于流固耦合技术研究了大展弦比机翼的非线性颤振特性。

　　国内外关于嗡鸣公开较少，且大多集中于标准算例的验证，对于考虑详细飞机结构模型的嗡鸣响应分析还未见公开发表；而高性能飞翼无人机嗡鸣气动弹性响应研究需要考虑较为详细的飞机结构模型。

　　本文提出一种飞翼无人机嗡鸣的CFD/CSD松耦合计算方法，通过对方向舵嗡鸣特性分析验证CFD/CSD松耦合嗡鸣方法的可行性。首先建立较为详细的飞翼无人机结构模型和气动模型，采用基于雷诺平均的N-S方程建立流动控制方程和结构动力学方程的耦合求解技术，气动与结构交界面匹配；在方向舵转轴端部设置舵面偏转运动的约束限制，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，湍流模型采用SST湍流模型。

　　CFD/CSD嗡鸣计算方法气动结构耦合分析属于气动弹性力学研究范围。气动结构耦合迭代方法有2种：①松耦合；②紧耦合。因为结构动力学方程和气动控制方程的数学形式及求解方法存在显著差异，对其进行统一耦合求解较难以实现，气动结构紧耦合技术只适用于理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，并利用交错时间推进获得气动结构耦合计算的响应。

　　气动弹性的气动结构耦合作用仅发生在两者的耦合交界面上，而飞机表面的结构网格和气动网格通常是不同的，在求解动气动弹性问题时方程耦合是由交界面上的平衡和相容条件来引入的，故气动弹性问题基本方程和边界条件可表示为：刘千刚，代捷，白俊强。跨音速操纵面嗡鸣Hopf分叉分析及结构参数对嗡鸣特性影响的研究。航空学报，1999，20（6）：527-532史爱明，杨永年，叶正寅。跨音速单自由度非线性颤振-嗡鸣的数值分析。西北工业大学学报，2004，22（4）：525-528ShiAiming，Yang张伟伟，叶正寅，史爱明，等。基于Euler方程的B型和C型嗡鸣特性数值研究。振动工程学报，2005，18（4）：458-464马艳峰，贺尔铭，曾宪昂，等。基于流固耦合方法的大展弦比机翼非线性颤振特性分析。西北工业大学学报，2014，32（4）：536-541