基于靜氣彈性能的風力機翼型設計研究

周景岳

摘 要：由于飛機是在高空作業(yè)且移動速度快，所以極易受到風力阻力的影響導致飛機的操作特點發(fā)生改變，并使機翼發(fā)生氣彈效應。當受到風力的影響到達一定值時，則會導致出現(xiàn)安全事故，而基于靜氣彈性能的風力機翼型能夠有效地降低機翼對扭轉(zhuǎn)發(fā)散的敏感度，促使機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力機翼型設計，希望對相關人員有所啟示。

關鍵詞：靜氣彈性能;風力機翼型;設計研究

引言：

就目前情況而言，隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國的航空航天領域也得到了相應的發(fā)展，飛機是航空航天領域必要的交通工具，同時也是現(xiàn)代社會的高科技產(chǎn)物，是促進我國經(jīng)濟發(fā)展必不可少的一種交通工具。而翼型作為風力葉片的基本元素，既是風能捕捉的源頭，也是葉片荷載的源頭，因此，開展基于靜氣彈性能的風力機翼型設計研究對于提高翼型的穩(wěn)定性十分重要。

1飛機中靜氣彈問題

1.1氣動荷載重分布與升力效率改變

首先，從氣動荷載重分布的角度來看，當機翼受到氣動荷載時，機翼的內(nèi)力分布情況會發(fā)生變化，與傳統(tǒng)的剛性機翼不同的是，彈性機翼的在受到氣動荷載時會發(fā)生變形，而當機翼變形之后會導致氣動荷載在機翼內(nèi)分布結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這就使得飛機不得不轉(zhuǎn)變自身的飛行角度來減小彈性機翼受到的影響，這就導致在實際操作過程中，飛機的操縱特性發(fā)生改變，操作難度增加，稍有不慎則會導致機翼受到影響，嚴重時甚至會引發(fā)安全事故，這對飛機上的乘客及工作人員的生命安全帶來了嚴重的威脅[1]。

其次，從升力效率改變的角度來看，由于彈性機翼受到了氣動荷載的影響導致升力效率發(fā)生轉(zhuǎn)變，升力效率值越高，則說明翼型靜氣彈性能越差，進而導致機翼無法克服自身的重力，致使飛機的操作特性發(fā)生改變。

1.2扭轉(zhuǎn)發(fā)散與靜穩(wěn)定裕度變化

由于在實際飛行的過程中，彈性機翼容易受到風力阻力的影響導致機翼變形，而當機翼變形后機翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的作用力則會發(fā)生改變，從而使得機翼無法發(fā)揮靜穩(wěn)定平衡的功能，致使機翼的穩(wěn)定性嚴重下降，同時也使得機翼形成扭轉(zhuǎn)發(fā)散，扭轉(zhuǎn)發(fā)散的力量會導致機翼的扭轉(zhuǎn)位移發(fā)生改變，當扭轉(zhuǎn)發(fā)散到達一定值時，機翼的焦點位置也會隨之改變，致使飛機的靜穩(wěn)定裕度發(fā)生變化，從而導致飛機的操縱特性發(fā)生改變，操作難度增加，極易發(fā)生墜機時間[2]。

1.3副翼反應

當彈性機翼受到較大的外力影響時，反對稱副翼偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣動滾轉(zhuǎn)力矩引起飛機的滾轉(zhuǎn)運動，致使副翼效率發(fā)生變化，當飛行速度到達一個臨界值時，則會導致副翼反效現(xiàn)象發(fā)生，進而使得飛機的穩(wěn)定性嚴重降低。

2翼型靜氣彈性能

氣動彈性力學屬于一種物理力學學科，其主要研究的是氣動力、慣性力與結(jié)構(gòu)彈性之間的依賴程度的量，也就是氣動力與慣性力、氣動力與結(jié)構(gòu)彈性、慣性力與結(jié)構(gòu)彈性之間的耦合作用。氣動彈性能與單純的固體力學和流體力學不同，固體力學與流體力學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給予固體力學或固體力學給予流體力學的，是兩者之間相互依賴的關聯(lián)作用力。靜氣彈性力學是結(jié)構(gòu)彈性與氣動力之間耦合作用的分支，自靜氣彈性力學提出之后，便被廣泛的應用于飛機、高樓等眾多領域的結(jié)構(gòu)設計當中，并取得了良好的應用效果，經(jīng)過了近百年的發(fā)展，靜氣彈性能也經(jīng)過大量的實驗取得了長足進展，現(xiàn)階段，相關領域研究人員致力于研究更為復雜條件下的靜氣彈性能，其中，在風力機翼型中應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的關系，即扭轉(zhuǎn)剛度越大、平移剛度越大，若想降低扭轉(zhuǎn)剛度，就需要降低氣動扭矩對攻角的敏感性，而氣動扭矩的敏感性與平移剛度之間成正比的關系，且由于氣動阻力對氣動扭矩的作用力較小，故而在力學上可以將氣動阻力忽略不計，因此，要想降低翼型靜氣彈的扭轉(zhuǎn)剛度，可以通過降低平移剛度來實現(xiàn)。同時，由于當翼型發(fā)生扭轉(zhuǎn)位移時，翼型的平移位移會隨著扭轉(zhuǎn)位移的改變而改變，因此，若想翼型的平移剛度，可通過減小升力的作用力來實現(xiàn)?？傮w而言，翼型靜氣彈性能的公式如下所示。（其中：e為翼型氣動中心距剛心的無量綱距離，θ為扭轉(zhuǎn)位移，CM為俯仰力矩系數(shù)，CL為升力系數(shù)）

3靜氣彈性能的風力機翼型設計的優(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力機翼型內(nèi)的有效值，有效值越高，則說明機翼的性能更完善，反之，則說明機翼部分空間的使用效率不高。一個好的空間變量是提高機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)實際需求，結(jié)合機翼實際使用情況，促使變量空間內(nèi)的密度合理，從而降低無效空間，確保風力機翼型設計的科學性與合理性。

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)彈性與氣動力學之間的設計不科學，致使很容易產(chǎn)生氣彈效應，致使機翼無法發(fā)揮其正常的功能與價值，同時也容易造成翼型的損壞，嚴重時甚至會導致危險事故的發(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主要是對傳統(tǒng)的薄翼型進行了空間變量上的優(yōu)化，在保證外形相近的基礎上，縮小了翼型的空間變量，從而減少了翼型上的無效值，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目標函數(shù)

目標函數(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。再將目標函數(shù)細分為彎曲彈性能（ε）與扭轉(zhuǎn)氣彈性能（p）。

首先，從彎曲彈性能（ε）上來看，彎曲彈性能（ε）主要用來表示氣動升力變化值，這也就說明，氣動升力變化值越小，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為氣動升力變化值）

其次，從扭轉(zhuǎn)氣彈性能（p）上來看，從扭轉(zhuǎn)氣彈性能（p）主要來表示氣動扭轉(zhuǎn)的變化值，氣動扭轉(zhuǎn)的變化值越小，則說明氣動扭轉(zhuǎn)做的功越小，而氣動扭轉(zhuǎn)做的功越小，則說明扭轉(zhuǎn)位移對扭轉(zhuǎn)發(fā)散的作用力越小，進而能夠提高扭轉(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)位移的角度來看，NACA 64618翼型對氣動扭轉(zhuǎn)敏感度更小，因此，在實際使用過程中不容易受到氣動扭轉(zhuǎn)位移的影響，穩(wěn)定性更高，同時也能夠發(fā)揮更大的效率。同時，氣動升力變化值較小，這說明機翼不容易發(fā)生氣彈效應，說明平移位移不容易受到扭轉(zhuǎn)位移的影響，氣動性能的穩(wěn)定性較高。由此可見，NACA 64618這一利用靜氣彈性能理論的風力機翼型能夠有效抑制葉片對陣風的敏感性，提高了翼型的使用性能及安全性能，同時也對葉片的扭轉(zhuǎn)發(fā)散有著一定的作用，因此，NACA 64618翼型更適合應用于風力機翼型設計當中。

結(jié)論：綜上所述，彈性問題給飛機的使用性能及使用安全帶來了嚴重的影響，若不及時解決，則會嚴重限制我國航空領域的發(fā)展。因此，在風力機翼型設計時，需要考慮靜氣彈性能，降低風力機翼對扭轉(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)彈性翼型的基礎上，改變空間變量，提高機翼的使用效率，同時針對彎曲彈性能與扭轉(zhuǎn)其彈性能分別設置不同的目標函數(shù)，提高靜氣彈性能，從而提高飛機的穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1]夏生林;趙利霞;黃祥.中等展弦比飛翼無人機靜氣動彈性研究[J].飛機設計，2019，12（15）：77-78.

[2]萬春華;聶小華;王立凱.復合材料翼面結(jié)構(gòu)靜氣彈分析[J].纖維復合材料，2020，08（15）：14-15.

[3]李闖.低風速長葉片風力機翼型氣動分析及優(yōu)化研究[D].江西：太原科技大學，2018.