结构动力学在飞机设计中的应用技术分析

王子龙 纪巧

陕西飞机工业有限责任公司 陕西省汉中市 723000

摘要：飞机在飞行过程中往往会受到各种冲击，飞机的飞行安全可能会受到威胁，本文介绍了结构动力学在当前飞机设计中的应用意义与方法，以期通过对飞机设计结构进行优化的方式，降低各种动荷载对飞机结构所造成的不利影响，提高飞机设计的安全性，希望能够给读者带来启发。

关键词：结构动力学；飞机设计；结构强度

引言：在当前的科学技术发展过程中，飞机类型不断增加，但不管是民用客机、运输机还是战斗机，为更好地满足自身的运转需要，结构都存在着一定的差别，在进行飞机设计时，合理应用结构动力学对飞机结构进行分析，在某种意义上可以实现提升飞机连接部位连接强度，进而达到提升飞机使用可靠性，延长其使用年限的目的。

一、结构动力学在飞机设计中的应用意义

现代航天航空技术是我国现代化技术发展过程中的重要组成部分，在一定程度上反映了我国的综合国力，对当前的飞机设计情况进行调查分析后可以发现，现阶段，我国的飞机设计过程中仍存在一定的动力学问题，这些问题的存在对飞机的飞行稳定性、安全性造成了一定的阻碍。随着科学技术的不断发展与完善，飞机结构强度分析技术越发完善，飞机设计水平也得到了大幅度的提升，现阶段，考虑到飞机飞行过程中各种冲击的作用类型与振动激励与飞机环境、运动状态、飞机结构的动态特性等因素之间存在着直接的联系，为切实上述问题，将结构动力学融入当前的飞机设计工作中，成为了一项极为必要的工作。但需要注意的是，当前我国结构动力学设计发展时间相对较短，在飞机结构设计过程中，这一技术应用仍存在一定的问题，因此，在进行飞机中一些复杂结构的分析时，可以综合应用结构动力学分析方法与其他的分析方法，保证飞机荷载的准确描述，对飞机结构振动疲劳机理、动强度判定等工作准确度的提升提供有效的支持^[1]。

二、结构动力学在飞机设计中的应用方法

为保证飞机的机构强度能够更好地满足航空航天事业发展的需要，将结构动力学分析方法应用到当前的飞机设计工作当中，可以尽可能在设计角度排出飞机的飞行安全，从而达到切实提升飞机结构的动态性能、为乘客安全提供有效的保障。

（一）带外挂着陆动力响应

在进行飞机结构设计时，若机翼外挂中心与挂点之间的距离过远，可能会导致飞机在着陆时出现意外，面对这种情况，在当前飞机结构的设计工作中，开展带外挂着陆动力响应的分析工作，可以有效提升飞机飞行的安全性。具体来说，为降低安全隐患的出现概率，在进行带外挂着陆动力响应分析时，首先，可以结合地面共振时间的结果对飞机机翼与外挂之间的连接刚度进行分析优化；其次，可以在设计有限元模型时，明确起落架缓冲器的非线性特征，并以此为基础，对飞机起落架在使用时的情况进行模拟；再次，通过模态结合法，将飞机信息输送到MSC/NASTRAN软件中，对带外挂着陆动力响应进行分析求解；最后，综合应用虚拟支持技术、大质量法，对基础激烈运动情况进行分析，然后通过自由状态的飞机，消除刚体运动带来的影响。对带外挂着陆动力响应分析结果进行分析可以了解到，在研究过程中，飞机可以被看做是一个包含了外挂物的多自由度弹性体系，在飞机工作过程中，全机带挂着陆安全性更高。

（二）飞机机背油箱随机振动

飞机机背油箱作为一种金属薄壁结构，主要被用于飞机燃油的存储，为飞机运转提供动力支持，在实际设计过程中，飞机的机背油箱主要以飞机的气动外形为设计基础，即在油箱设计时，不仅需要保证自身能够承受重复的冲压载荷，满足飞机静强度的具体要求，还需要保证自身能够承受飞机在飞行状态下，恶劣环境条件对自身的影响。现阶段，为切实提升飞机油箱的动力学品质，在进行飞机机背油箱设计时，可以将振动响应分析应用到油箱设计工作中，找出油箱动强度薄弱点，并通过对其进行优化的方式，降低油箱泄漏问题出现的可能性。具体来说，在对飞机机背油箱进行随机振动分析时，首先，要对飞机机背油箱飞行任务剖面实测数据进行归纳、整理、分析，明确飞机机背油箱的随机振动载荷谱；其次，通过MSC/NASTRAN软件，对机身结构与飞机机背油箱底部接头位置处进行强迫运动模拟；最后，利用虚拟质量法解决飞机机背油箱的流—固耦合问题。对分析结论进行分析后可以了解到，在有油、无油状态下，可以对飞机机背油箱的应力相应功率密度曲线与对应的实际均方根值进行比较，明确不同区域飞机油箱应力变化情况；若在飞机机背油箱随机振动实验结果与分析结果基本吻合，则说明模型有着较高的可行度，可以为后续飞机机背油箱结构优化提供理论参照^[2]。

（三）舵面FES实验

近年来，随着材料学的不断发展，各种新型复合材料被应用到了飞机生产制造工作中，并且大部分被应用到飞机设计工作中的复合材料大多有着比刚度高、重量轻、设计性好等优点，因此，在飞机的实际设计生产过程中，这类材料大多被应用到一级舵面部件的生产活动中。需要注意的是，尽管在新型材料的使用过程中，可以使得新型飞机的性能更为优良，但新材料的使用使得飞机对自身的结构强度、刚度等方面有了更高的要求，这使得在材料变化情况下，飞机的控制技术、飞机部件结构形式等方面也需要发生一定的改变，这种情况的出现在一定程度上使得舵面扭转、弯曲比例、耦合关系情况出现了变化。现阶段，为进一步提升飞机控制系统的使用安全性、灵活性，可以将结构动力学应用到飞机的新型复合材料部件当中，为飞机整体使用安全提供保障，具体来说，结构动力学的应用过程中，可以先以地面FES试验为基础，运用动力学数值仿真分析的方式，对复合材料的蜂窝夹层舵面FES激励进行分析，明确舵面的振动特性，然后找出对多面振动影响最大的因素，并通过对其进行针对性处理的方式，实现舵面振动的有效管控。在进行舵面振动分析时，首先，需要将伺服作动器转化为二阶线性系统，然后用这一系统进行函数传递，算出输出响应；其次，将输出响应数据作为荷载激励数据的仿真分析条件，通过地面刚度实验得出数据，并用这一数据对舵面支持刚度进行修正；最后，借助MSC/NASTRAN软件，综合应用大质量法，对舵面进行动力学仿真分析。经过分析可以了解到，在进行飞机舵面分析时，可以在了解舵面结构的基础上，对其应力相应功率谱密度曲线进行分析，明确会对动力响应造成严重影响的因素，然后利用伺服动作器频率响应规律对舵面偏度与FES的激励频率范围进行分析，为后续舵面振动抑制工作的开展提供支持，通过仿真分析可以了解到分析计算模型有着较高的可行性

^[3]。

结论：总而言之，飞机的结构在飞行过程中往往会因频繁受到各种荷载的影响，导致结构强度逐渐降低，进而对飞机的飞行安全造成一定的威胁。现阶段，为保证飞机的飞行安全，对飞机的结构动强度进行分析，并且合理应用结构动力学方法对飞机设计情况进行分析，成为了保证飞机飞行安全的关键点之一。

参考文献：

[1]王正任.大型飞机设计中的气动弹性关键技术分析[J].科学技术创新,2018(30):15-16.

[2]刘锋.结构动力学在飞机设计中的应用技术研究[J].环球市场,2019(29):397.

[3]顾松年,徐斌,荣见华,姜节胜.结构动力学设计优化方法的新进展[J].机械强度.2005(02):20.