颤振飞行试验的边界预测方法回顾与展望

颤振飞行试验的边界预测方法回顾与展望

高强

哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150000

摘要：颤振试飞是新型或结构有重大改变的飞机都必 须进行的试飞项目之一,具有典型的高风险、高耗费和长周期特点,是国际公认的Ⅰ类风险科目。确定颤振边界是颤振试飞的基本目的之一。由于颤振试验的风险性,颤振包线一般难以直接从试验获得, 因此如何基于亚临界响应测量与分析进而完成对包线的预估就十分重要 ,这就是飞行颤振边界预测的问题。飞机的颤振边界预测是飞行颤振试验的最后一个环节, 它关系到飞机颤振试飞的安全性、准确性 ,对加快试飞进度具有至关重要的意义。

关键词：颤振飞行试验；颤振边界预测；方法

颤振是危险的自激振动，飞机结构一旦发生颤振，将会在极短时间内解体，造成灾难事故，因此，及时有效地预测飞机颤振边界具有十分重要的意义。 最早的颤振边界预测方法，这里简称VS方法。该方法在不同风速下采用频率渐增的激振力激励飞机结构，记录各模态频率的共振振幅，当振幅趋于无穷大时的风速即为颤振临界速度。然而该方法外推时需要测点距离颤振临界点很近，不利于较早地颤振预测。

一、慨述

颤振是作用在升力面结构，如机翼 上的气动力、弹性力和惯性力耦合而成的动气动弹性不稳定性问题， 从 Handley Page 0/400 双发轰炸机出现颤振事故起，在试飞和实际飞行中，出现过机翼颤振、副翼颤振、伺服调整片颤振、壁板颤振和外挂物颤振等气动弹性不稳定现象，飞机一旦出现颤振就会很快解体而造成灾难性事故。为了控制和避免颤振，人们从理论分析模型试验、地面试验和飞行试验等各个方面从事研究，颤振飞行试验是其中的一个重要组成部分，它优于其它研究但又难于其它研究，优在是实物性试验，不受任何简化假设的限制难在有较大的危险性，需要一系列先进的仪器设备和一整套研究方法，技术复杂难度较大。

颤振飞行试验是新机或有重大改型的飞机都必须进行的试飞科目，以最终确定飞机的颤振特性和颤振余量。飞行颤振试验是飞机设计中防颤振设计的最终环节，它既以各项计算和地面试验的结果为基础，又是这些工作的补充和鉴定。飞行颤振试验使用真实的飞机在真实飞行条件下进行，既具有不受各种简化假设限制的独特优点，又具有一定的复杂性和风险性。由于颤振试验的风险性，颤振包线一般难以直接从试验获得，因此如何基于亚临界响应测量与分析进而完成对包线的预估就十分重要，这就是飞行颤振边界预测的问题。飞机的颤振边界预测是颤振飞行试验的最后一个环节，它关系到飞机颤振试飞的安全性、准确性，对加快试飞进度具有至关重要的意义。

二、颤振边界预测方法

颤振边界预测技术基于的数据处理 方法:一种是速度-阻尼法 ,包括矩阵束 (简称 MMP)法和功率谱密度 (简称 JDP)法;另一种是稳定 性判据法,包括 Jury判据法和 Lyapunov判据法。本文对 MMP法和 Jury判据法的相关原理和应用 情况加以介绍, 并在两个型号飞机的颤振试飞中对 这两种颤振边界预测技术进行了初步应用研究 。

1、速度-阻尼法 速度-阻尼法是工程界一贯采用的颤振边界预 测方法 ,也是国内外截止目前普遍采用的基本方法, 已在多种型号的飞机颤振试飞中有过成功的应用。速度-阻尼法通过外推模态阻尼趋势来预测颤振速度。该方法完全依赖于分析试验数据而不考虑 被试系统的理论模型 ,所以被归结为基于试验数据 的方法 。此方法用于处理的数据是飞机的结构模态阻尼。传统的颤振边界预测方法中的速度-阻尼法采用多项式拟合法进行结构模态频率和阻尼的计算 ,本文介绍的速度-阻尼法则通过矩阵束(MMP)方 法来计算结构模态频率和阻尼。矩阵束法把采样长度为 N的噪声污染信号用复指数参数模型:

不同状态,输入由不同通道得到的结构响应信号 ,通过相关计算[1] , 求出 αi和 ωi值, 即得到在特 定飞行状态时不同结构模态对应的阻尼系数和模态 频率值。然后用最小二乘法把测得的阻尼系数拟合成随速度变化的曲线 ,再根据阻尼系数随飞行速度的变化趋势 ,以阻尼系数为零外推得到颤振临界速度 Vf。

2、稳定性判据法。稳定性判据法把被研究对象看成一个整体系统 ,对试验信号建立适当的动态数据模型, 由模型参数结合相应准则构造相应的稳定性判据并计算稳定性参数 ,最后通过曲线拟合这些参数, 然后进行外推就可得到颤振临界速度。常用的稳定性判据主要有 Routh判据 、Jury判据和 Lyapunov判据。从数学意义上讲 ,这些判据是等价的。 Routh判据属连续域判据, 而 Jury和Lya- punov判据主要用于离散情况。自回归滑动平均 ARMA模型是信号描述中最常用的参数化模 型 , 一个 ARMA模型包括了自回归AR模型和滑动平均 MA模型。ARMA模型的特征多项式为 :

Jury判据是通过判定给定特征多项式根的分布来判定系统是否是稳定的。 定义，Jury判据要求:

三、应用结果

1、同一传感器同一组数据不同模态的处理结果，给出了 X型飞机在某高度, 速度分别为 471 km/h, 511 km/h, 540 km/h, 559 km/h, 脉冲副翼时, 使用左翼尖振动 (VIB1), 响应信号分别 采用 MMP法和 Jury法, 针对不同结构模态处理得到的预测结果。本文所有预测结果图中均为频率随速度的变化曲线 ,采用 MMP法得到的预测结果,采用 Jury判据法得到的预测结果。所有预测结果取两种方法所得到的结果中相对 保守的一个做为最终的预测颤振速度 。

由图可以看出 ,采用相同的数据, 针对不同结构模态得到的预测结果一致性比较好。预测的颤振速度为 616 km/h,预测的颤振 速度为 612 km/h, 这个预测结果对于下一状态点的 选择具有很好的借鉴意义。由图可以看出,用 MMP法和 Jury法得到的预测颤振速度有较大差异, 分别为 612 km/h和 680 km/h。这与该两类方法所基于的原理有关 , MMP法对某一固定模态的阻尼系数随速度变化进行外推得到颤振速度,而 Jury法则主要基于整个系统的稳定性裕度变化进行外推得到颤振速度，所用到的试验状态点离颤振边界较远, 所以不同方法预测结果的一致性较差。

3、预测结果随飞行速度的变化。由于 X型飞机颤振试飞安排的试验状态点数目较少,为了清楚地表示预测结果随速度的变化趋势, 该预测技术在 Y型飞机颤振试飞中的预测结果,横坐标为实际试飞的指示速度值, 纵坐标为使用该点所对应的横坐标以前的试飞速度点进行预测得到的预测速度值 Vyc,不同的符号代表用不同部位传感器的预测值。在初始的几个速度点, 不同通道预测出的颤振速度相差达 500 km/h(两个刻度之间步长为 100 km/h)。靠近极限速度时, 不同通道预测结果相差 25 km/h左右。因此, 飞行速度越接近极限速度 ,不同通道的预测结果越趋于一致 ,即越趋于颤振速度的真值。

结论

采用预测方法对不同传感器 、不同模态进行了颤振预测, 预测的结果不仅一致性较好 ,而且与传统方法的预测结果差异也较小。 因此,在实际试飞过程中, 采用本颤振边界预测技术起到了很好的安全预警作用, 极大地保障了科研试飞的安全,该技术有一定的工程实用性。

参考文献：

［1］ 曾庆华，张令弥，张春宁．飞行颤振试验数据处理方法及软件研制［J］．航空学报，2019.05．

［2］ 钟兢军，董聪．环境激励下识别结构模态自然激励－时域分解法［J］．振动与冲击，2018.12．