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航空学报 2025年第3期46卷 140-173页

作者：万志强张珊珊王晓喆马靓许翱吴志刚杨超北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191 北京航空航天大学无人系统研究院北京100191

飞行载荷是飞机结构设计的基础,准确、快速获得机动载荷一直是飞机研制中的难题。早期飞机采用在刚性机动载荷基础上做弹性修正的方法,而随着现代飞机飞行速度和结构柔度的不断提高,结构弹性变形使得机动载荷的分布发生较大变化,需要综... 详细信息

飞行载荷是飞机结构设计的基础,准确、快速获得机动载荷一直是飞机研制中的难题。早期飞机采用在刚性机动载荷基础上做弹性修正的方法,而随着现代飞机飞行速度和结构柔度的不断提高,结构弹性变形使得机动载荷的分布发生较大变化,需要综合考虑气动和结构的耦合效应,并发展了满足不同精度和效率的弹性机动载荷分析方法。机动载荷减缓技术的提出与应用保证了飞机所需的机动特性,同时降低了因结构强度和刚度要求所要付出重量的代价,是当前该领域研究的热点。首先归纳了现代弹性飞机机动飞行载荷分析及减缓的总体要求和技术框架;其次以此为基础介绍了机动飞行载荷所涉及的气动力、结构强度/刚度、数据映射、飞行力学等分析方法;对国内外的机动载荷减缓技术进行了梳理;回顾了机动飞行载荷及其减缓的仿真和试验案例;最后讨论了未来机动飞行载荷分析及减缓技术发展中需要解决的关键问题,以期为该领域的科研工作者提供一些思路。

关键词：飞行载荷机动载荷气动弹性载荷减缓风洞试验飞行试验

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机动载荷作用下航空发动机机匣结构对叶尖间隙的影响分析

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燃气涡轮试验与研究 2024年第4期37卷 23-31页

作者：贾思维姚利盼裴会平赵胜丰唐晓峰江苏大学流体机械工程技术研究中心江苏镇江212013 中国科学院工程热物理研究所北京100190 中国航发四川燃气涡轮研究院成都610599

针对机动载荷作用下航空发动机压气机叶尖间隙变化不均匀问题,开展了机动载荷作用下结构因素对叶尖径向间隙的影响研究。以小涵道比涡扇发动机为对象,建立计算模型,通过有限元数值模拟,得到航空发动机压气机机匣和中介机匣在机动载荷作... 详细信息

针对机动载荷作用下航空发动机压气机叶尖间隙变化不均匀问题,开展了机动载荷作用下结构因素对叶尖径向间隙的影响研究。以小涵道比涡扇发动机为对象,建立计算模型,通过有限元数值模拟,得到航空发动机压气机机匣和中介机匣在机动载荷作用下对高压压气机叶尖间隙的影响规律。结果表明,采用双层机匣结构能够增加压气机的纵向刚度,减小压气机在法向过载和陀螺力矩作用下的椭圆变形和转静子偏心,使得叶尖间隙变化更为均匀。增加中介机匣的刚性,可以减小压气机内层机匣在法向过载作用下的非对称变形,从而改善压气机叶尖工作间隙特性。机匣结构对压气机叶尖间隙在机动载荷作用下的影响较为显著,通过对机匣结构的改进,可获得0.41%~0.64%的工作间隙减小收益。

关键词：航空发动机机动载荷高压压气机叶尖间隙双层机匣相对椭圆度

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机动载荷对锥齿轮错位量影响的分析

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机械制造 2025年第2期63卷 13-15,48页

作者：王振华李舒婷侯明曦吴双峰杨旭中国航发沈阳发动机研究所沈阳110015 中国航空发动机集团航空发动机动力传输重点实验室沈阳110015 中国航发黎明航空发动机有限公司沈阳110015

机动载荷指飞机在加速、转弯、爬升、俯冲等机动动作时由于加速度作用而在飞机上产生的附加载荷,齿轮错位量为齿轮实际啮合位置与理想啮合位置的偏差。分析机动载荷对锥齿轮错位量的影响。在Romax软件中建立齿轮传动系统模型,对锥齿轮... 详细信息

机动载荷指飞机在加速、转弯、爬升、俯冲等机动动作时由于加速度作用而在飞机上产生的附加载荷,齿轮错位量为齿轮实际啮合位置与理想啮合位置的偏差。分析机动载荷对锥齿轮错位量的影响。在Romax软件中建立齿轮传动系统模型,对锥齿轮错位量进行仿真计算。考虑机动载荷时,机动载荷会将附件质量的影响放大。分析结果表明,考虑机动载荷时,锥齿轮最大错位量明显增大,变化率为15.0%,会导致偏载,加剧磨损,缩短齿轮寿命。对此,应当考虑采用齿轮修形等手段,以减小锥齿轮错位量。

关键词：机动载荷锥齿轮错位量影响

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机动载荷下高压压气机变形控制及结构优化研究

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农业装备与车辆工程 2024年第2期62卷 149-153页

作者：贾思维周华宁江苏大学流体机械工程技术研究中心江苏镇江212013

以某成熟发动机为对象,开展高压压气机机匣结构对叶尖间隙影响分析。建立计算模型,通过有限元数值模拟,得到压气机机匣结构在机动载荷作用下对叶尖间隙的影响规律,并对机匣结构进行优化以改善机匣在机动载荷作用下的变形。结果表明,高... 详细信息

以某成熟发动机为对象,开展高压压气机机匣结构对叶尖间隙影响分析。建立计算模型,通过有限元数值模拟,得到压气机机匣结构在机动载荷作用下对叶尖间隙的影响规律,并对机匣结构进行优化以改善机匣在机动载荷作用下的变形。结果表明,高压压气机采用双层机匣结构能够增加压气机的纵向刚度,减小机匣的最大变形,使得叶尖间隙变化更为均匀。通过结构优化能够降低内层机匣的径向变形和相对椭圆度,减少机动载荷对叶尖间隙的不良影响。

关键词：机动载荷高压压气机叶尖间隙双层机匣结构优化

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机动载荷作用下航空发动机机匣结构对压气机叶尖间隙的影响研究

机动载荷作用下航空发动机机匣结构对压气机叶尖间隙的影响研究

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作者：贾思维江苏大学

学位级别：硕士

现如今先进的航空发动机追求高效率、高可靠性和高推重比，改进高压压气机的叶尖间隙，可显著降低尾喷管的排气温度和燃油消耗，提高发动机性能。在循环载荷中，空气动力学和强度要求决定了转子的几何结构，因此叶尖间隙控制主要依靠静... 详细信息

现如今先进的航空发动机追求高效率、高可靠性和高推重比，改进高压压气机的叶尖间隙，可显著降低尾喷管的排气温度和燃油消耗，提高发动机性能。在循环载荷中，空气动力学和强度要求决定了转子的几何结构，因此叶尖间隙控制主要依靠静子的结构设计，其结构设计好坏直接决定压气机的工作效率和可靠性。在机动飞行时，发动机叶尖径向间隙随飞行状态的变化而变化，机匣的非对称变形会对飞机的安全运行产生威胁。本文将从实际出发模拟机动载荷的作用方式和特点，以某典型小涵道比航空发动机为研究对象，建立计算模型，分析机动载荷作用下不同航空发动机机匣结构对高压压气机叶尖径向间隙的影响。　　首先对航空发动机叶尖间隙变化规律进行研究，综合分析机动飞行环境下各种载荷对叶尖间隙的影响，并对机动载荷进行初步计算。分析航空发动机的结构特点，根据计算要求建立完整的航空发动机机匣模型。为保证数值模拟的准确性，降低计算难度，对模型进行简化处理。　　为了验证数值模拟结果的有效性，搭建了某压气机有限元数值计算模型，通过有限元分析，计算典型发动机工况下的叶尖间隙变化情况，得到该压气机结构形式的叶尖间隙变化规律。利用压气机试验台和电容式叶尖间隙测试系统开展压气机叶尖间隙测量试验。结合数值模拟和试验结果，验证了数值模拟结果的有效性。　　最后针对机动载荷作用下航空发动机压气机叶尖间隙变化不均匀的问题，开展机动载荷作用下结构因素对叶尖径向间隙影响研究。通过有限元数值模拟，得到航空发动机压气机机匣、中介机匣和外涵机匣结构在机动载荷作用下对高压压气机叶尖间隙的影响规律。研究结果表明，采用双层机匣结构能够增加压气机的纵向刚度，减小压气机在法向过载和陀螺力矩作用下的椭圆变形和转静子偏心，使得叶尖间隙变化更为均匀。增加中介机匣和外涵机匣的刚度，可以减小压气机内层机匣在法向过载作用下的非对称变形，从而改善压气机叶尖工作间隙。航空发动机机匣结构对压气机叶尖间隙在机动载荷作用下的影响较为显著，通过对机匣结构的改进，可获得0.21%~0.58%的工作间隙减小收益。　　本文的研究结果对航空发动机压气机结构设计和间隙控制具有参考价值。

关键词：航空发动机机动载荷机匣结构高压压气机叶尖间隙

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考虑机动载荷的三平行轴齿轮传动系统动力学特性研究

考虑机动载荷的三平行轴齿轮传动系统动力学特性研究

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作者：赵佳沈阳工业大学

学位级别：硕士

航空发动机附件传动系统作为维持发动机和附件系统稳定运行的关键装置,是一种以三平行轴齿轮模型为单元串联而成的复杂系统,且各传动轴均为空心阶梯轴。在工作过程中由齿轮啮合刚度、传动误差、传动轴刚度等多种非线性因素相互耦合形成... 详细信息

航空发动机附件传动系统作为维持发动机和附件系统稳定运行的关键装置,是一种以三平行轴齿轮模型为单元串联而成的复杂系统,且各传动轴均为空心阶梯轴。在工作过程中由齿轮啮合刚度、传动误差、传动轴刚度等多种非线性因素相互耦合形成内部激励,与原动机主动力矩、空间运动变化等引起的外部激励共同作用,极易导致系统振动。本文针对构型不同的三平行轴齿轮传动系统在机动载荷下的动力学特性开展研究,为开发研究占用空间更小、稳定性更高的航空发动机附件传动系统提供理论依据。针对各空心传动轴在复杂载荷作用下发生弯曲和扭转变形问题,提出求解复杂载荷下阶梯轴变形的积分常数简化法,使用该法求解得到三平行轴齿轮传动系统各传动轴的载荷和变形分布,与仿真结果进行对比,发现两者具有较好的一致性。为三平行轴齿轮传动系统动力学参数中轴刚度的计算奠定了数据基础。建立三平行轴齿轮传动系统动力学模型图,针对三平行轴齿轮传动系统动力学参数求解方法及规律展开研究。采用韦伯法求解各齿轮时变啮合刚度,分析齿轮结构参数对齿轮啮合刚度的影响,揭示齿轮啮合刚度发生变化的原因。给出准确计算传动轴刚度值的方法并编制程序求解得到各传动轴刚度曲线。为三平行轴齿轮传动系统动力学响应特性的研究提供理论和数据参考。围绕机动载荷下构型不同的三平行轴齿轮传动系统动力学特性开展研究。一方面针对构型不同的三平行轴齿轮传动系统自身固有动力学特性进行研究。应用三维建模软件构建共面型与非共面型两种三平行轴齿轮传动系统的结构模型。采用有限元分析软件对两种传动系统进行约束模态分析,得到系统固有频率和振型。结果表明构型不同的三平行轴齿轮传动系统的固有特性存在较大差异;另一方面针对机动载荷下构型不同的三平行轴齿轮传动系统动力学响应特性进行研究。根据实际工况利用动力学分析软件建立共面和非共面传动系统的刚柔耦合仿真模型,对不同机动载荷下两种系统的动力学响应特性进行分析,得到传动系统中各传动轴、齿轮副、轴承的振动响应曲线。结果表明机动载荷和构型对传动系统的动态响应特性影响均较大;调整传动轴空间布置可提高系统稳定性。

关键词：三平行轴齿轮传动系统机动载荷刚柔耦合动力学特性

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飞机方案设计阶段机动载荷快速计算方法研究

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力学与实践 2020年第6期42卷 726-730页

作者：张建刚何康乐金鑫中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院西安710089

提出了一种在方案阶段能快速准确预估飞机设计机动载荷的简捷计算方法。通过静气弹理论计算飞机的气动导数,以气动导数、操纵特性和质量特性为输入对飞机进行了机动模拟,得到各运动参数的时间历程,最后用涡格法计算出部件的分布载荷。... 详细信息

提出了一种在方案阶段能快速准确预估飞机设计机动载荷的简捷计算方法。通过静气弹理论计算飞机的气动导数,以气动导数、操纵特性和质量特性为输入对飞机进行了机动模拟,得到各运动参数的时间历程,最后用涡格法计算出部件的分布载荷。将本文的计算结果与后续的传统方法计算结果进行比较,结果表明该方法是准确可靠的,能满足方案阶段飞机设计的载荷需求。该方法在方案阶段能有效克服传统方法需要大量的风洞试验得来的气动特性数据和压力分布数据的不足。本文的方法只需要较少的输入参数就可以进行,可在型号研制中节省时间,加快研制进度。

关键词：机动载荷静气弹气动导数机动模拟分布载荷

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基于JSBSim的通用飞行器机动载荷仿真

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电脑校园 2019年第7期 7792-7794页

作者：杨起杭沈阳航空航天大学航空宇航学院辽宁沈阳 110136）

在通用飞机方案设计阶段，机动载荷计算是其中一个重要的组成部分，本文针对机动载荷计算过程中的快速迭代计算需求，基于JSBSim开源软件库实现通用飞机的快速数字化建模与机动载荷仿真计算，以气动导数、操纵特性在JSBSim开源软件中进... 详细信息

在通用飞机方案设计阶段，机动载荷计算是其中一个重要的组成部分，本文针对机动载荷计算过程中的快速迭代计算需求，基于JSBSim开源软件库实现通用飞机的快速数字化建模与机动载荷仿真计算，以气动导数、操纵特性在JSBSim开源软件中进行数字化建模，参照CCAR-25适航条例对通用飞机进行机动模拟，得出俯仰机动中各运动参数的时间历程与尾翼载荷概貌，为飞机分布载荷计算与后续飞机结构的强度分析与设计提供参考，计算结果与传统方法计算结果对比，本文所使用的方法是可靠的，可

关键词：飞行载荷机动载荷飞行仿真适航条例 JSBSim

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弹性飞机跨声速机动载荷计算方法

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航空学报 2016年第11期37卷 3236-3248页

作者：张辉李杰西北工业大学航空学院西安710072

基于跨声速非定常气动力求解的重叠场源法,开展了弹性飞机跨声速机动载荷计算方法研究,为现代飞机结构强度设计提供更加可靠和精确的临界载荷计算方法。首先通过采用重叠场源法求解关于62%根弦俯仰振荡的LANN机翼在马赫数为0.822的非定... 详细信息

基于跨声速非定常气动力求解的重叠场源法,开展了弹性飞机跨声速机动载荷计算方法研究,为现代飞机结构强度设计提供更加可靠和精确的临界载荷计算方法。首先通过采用重叠场源法求解关于62%根弦俯仰振荡的LANN机翼在马赫数为0.822的非定常气动力并与实验结果进行对比,验证了重叠场源法对跨声速激波效应预测和非定常气动力计算的能力;其次应用频域气动力有理近似技术拟合场源法计算得到的广义气动力系数矩阵,建立了机动载荷分析的状态空间模型;然后完成了某型民用飞机俯仰机动载荷分析,研究了俯仰机动飞行情况下飞机机体状态量及飞机部件载荷响应规律。计算结果表明:考虑机体弹性变形后,机翼和平尾气动载荷响应最大值分别减小了5.1%和10.6%,升降舵气动载荷响应最大值增大了16.2%,在飞机结构强度设计中必须考虑机体弹性效应对飞机部件载荷的影响。

关键词：机动载荷非定常气动力气动力影响系数矩阵跨声速重叠场源法

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弹性飞机跨声速机动载荷计算方法研究

弹性飞机跨声速机动载荷计算方法研究

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作者：张辉西北工业大学

学位级别：博士

飞机飞行载荷是飞机强度分析和结构设计的重要依据,现代飞机的临界载荷条件经常处于跨声速、大迎角机动飞行状态,跨声速激波效应及流动分离引起的气动力非线性特征明显,而长期以来用于机动载荷分析所建立的气动力求解方法是线性的,不能... 详细信息

飞机飞行载荷是飞机强度分析和结构设计的重要依据,现代飞机的临界载荷条件经常处于跨声速、大迎角机动飞行状态,跨声速激波效应及流动分离引起的气动力非线性特征明显,而长期以来用于机动载荷分析所建立的气动力求解方法是线性的,不能有效地预测气动力非线性特征,从而很大程度地影响了机动载荷计算的精度。同时,现代飞机结构柔性越来越大,气动弹性效应对机动载荷的影响更加明显,考虑飞行控制系统在飞机系统中越来越广泛的应用,飞机机动载荷计算是一个典型的气动、结构、运动及控制等多学科耦合问题,这使得飞机临界载荷的精确计算面临巨大的挑战。本文旨在通过发展高精度、高效率的气动力计算方法以及建立机动载荷耦合求解的模型,解决当前飞机机动载荷计算面临的技术难点,主要研究工作如下:(1)基于CFD精细流场解和重叠场源法(Overset Field-Panel Method),发展了高精度高效率的非定常气动力求解方法。该方法将CFD定常流场数值解引入跨声速小扰动方程,在小扰动条件下非定常激波效应由定常流场的激波强度和位置确定,可对跨声速非定常气动力进行有效计算。数值算法利用分块三对角近似技术提高了求解方法的计算效率、节省了计算所需内存空间,并采用重叠场源策略为复杂构型的非定常气动力计算提供了有利保障。分别以F5机翼、LANN机翼、CRM翼-身-尾构型及SDM全机构型为计算算例,验证了本文发展的非定常气动力求解方法的可靠性以及对跨声速非定常气动力预测的能力。本文发展的非定常气动力求解方法为跨声速范围内动导数计算、静气动弹性配平分析及机动载荷分析奠定了基础。(2)基于重叠场源法得到的非定常气动力,发展了适用于跨声速范围内动导数计算方法,与基于CFD的动导数计算方法相比,本文动导数计算方法大大提高了计算效率,可以实现所有动导数的同时求解。针对SDM飞机构型,计算了不同马赫数、不同迎角状态下纵向及横航向动导数,与相关实验及计算结果进行对比分析,检验了本文基于重叠场源法的动导数计算方法的可靠性及适用性,算例结果表明:本文发展的基于重叠场源法的动导数计算方法可有效地预测跨声速范围内和大迎角状态下动导数的非线性特性。此外,利用计算得到的相关动导数,基于MATLAB/Simulink建立了飞机俯仰、滚转和偏航机动模拟模型,可对传统的机动模拟方程进行快速求解。(3)气动力求解采用重叠场源法,发展了基于非线性气动力的飞机静气动弹性配平分析方法,与经典的线性气动力方法(偶极子格网法)相比,其适用范围可扩展到跨声速及大迎角飞行状态,静气动弹性配平分析结果可为飞机跨声速机动载荷瞬态分析提供较准确的初始配平条件。(4)针对气动弹性系统状态空间建模的需求,研究了广义气动力有理近似的最小二乘法并构造了CLS双重近似算法。将所构造的近似算法用于F5机翼和AGARD445.6机翼广义气动力系数矩阵的有理逼近,分析了不同滞后根取值和个数对本文算法拟合精度的影响并得到了CLS双重近似算法滞后根选取的一般规律,为机动载荷计算的状态空间模型的建立提供必要准备。(5)提出并建立了一种时域状态空间形式的机动载荷分析模型。研究了数值求解的时间步长及初始配平条件对机动载荷响应分析的影响;对比分析了气动力求解采用偶极子格网法和重叠场源法对飞机机动响应及载荷变化的影响;将气动力采用重叠场源法建立的状态空间模型所得飞机机动响应结果与传统的机动模拟方法所得结果进行对比,验证了机动载荷计算的状态空间模型的有效性和可靠性。(6)采用本文建立的机动载荷分析的状态空间模型对国内某大型客机和某螺旋桨飞机进行了机动载荷计算分析。气动力求解采用重叠场源法,完成了俯仰、滚转及偏航机动载荷分析,研究了这些机动情况下机体状态量及飞机部件载荷的响应规律,计算得到了机动过程中机翼、平尾、垂尾、升降舵、副翼和方向舵的严重载荷情况,研究了弹性变形对飞机各个部件载荷的影响量,为飞机相关部件的强度分析和结构设计提供精细化和定量化的技术参考和依据。

关键词：非定常气动力气动力影响系数矩阵 NS方程重叠场源法动导数状态空间法静气动弹性配平机动载荷

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