[发明专利]一种水面飞行器水动弹性响应分析方法

说明书

本发明属于水面飞行器结构动力学响应分析技术，具体涉及一种水面飞行器水动弹性响应分析方法。本发明方法依据飞机的总体外形、结构形式及质量分布进行全机结构有限元建模；根据飞机的重量重心状态及水面滑行参数等计算飞机的吃水线位置；根据飞机吃水线以下的结构参数，利用附加质量理论计算水对机体产生的附加质量；将附加质量和全机质量叠加，求解全机动力学方程，分析飞机的各阶湿模态；基于湿模态分析结果，将飞机使用过程中的水动载荷简化并施加于结构模型，采用模态叠加法求解机体过载、变形、剪力、弯矩、扭矩的响应历程。本发明方法可以得到水面飞行器机体结构在水面运动时的弹性响应特性，为水面飞行器结构强度设计提供依据，提高水面飞行器的安全性和可靠性。

技术领域

本发明主要涉及水面飞行器结构动力学响应分析技术，具体涉及一种水面飞行器水动弹性响应分析方法。

背景技术

水面飞行器，特别是水上/水陆两栖飞机在水面起降和滑行过程中，经常受到水面气流、波浪等的扰动，容易引起机体结构附加振动，影响人员和设备的工效性及机体结构寿命。分析水面飞行器的动力学响应特性，可以为防止机体结构共振破坏、振动疲劳等提供依据。

但是，水面飞行器在水面航行时，船体结构的运动会诱导其周围的水体运动，而水体又以附加运动的形式反作用于船体表面。进行水面飞行器水上动力学分析时，必须考虑水体与结构之间的耦合作用，计入机体的弹性效应，开展结构水动弹性响应分析。以往，水面飞行器设计时，一般依靠工程算法进行刚性飞机水载荷设计，不考虑结构弹性变形的影响，无法评估机体结构在水面运动时的弹性响应特性。国内外很少关注水面飞行器的水动弹性响应特性，无完整的分析方法。

发明内容

本发明的目的是：提供一种能够有效指导水面飞行器结构强度设计，提高结构安全性和可靠性的水动弹性响应分析方法。

本发明的技术方案是：一种水面飞行器水动弹性响应分析方法，其对水面飞行器进行全机结构有限元建模，计算水面飞行器附加质量和全机质量，代入求解水面飞行器动力学运动方程，获取水面飞行器湿模态，再依据水面飞行器湿模态参数，将飞行器使用过程中的水动载荷施加于有限元模型，求解该模型的瞬态响应特性。

所述的水面飞行器水动弹性响应分析方法包括如下步骤：

步骤1、依据水面飞行器的总体外形、结构形式及质量分布进行全机结构有限元建模；

步骤2、依据水面飞行器的装载状态及水面滑行参数计算水面飞行器的吃水线位置；

步骤3、利用水面飞行器吃水线以下的结构参数计算水对水面飞行器产生的附加质量；

步骤4、将附加质量和全机质量叠加代入运动方程求解，分析水面飞行器的湿模态特性；

步骤5、依据湿模态分析结果，求解机体结构的水动弹性响应特性。

步骤2中，水面滑行参数包括但不限于重量重心、滑行速度、襟翼偏角、升降舵偏角。

步骤2中，通过计算水面飞行器的重力、升力及所需的浮力，根据浮力及几何外形计算水面飞行器吃水线位置。

步骤3中，根据水面飞行器吃水线位置，在有限元模型中定义与水接触的结构单元，然后利用附加质量理论计算水对水面飞行器产生的附加质量。

所述附加质量表示形式为：

[M_a]＝[D]^-1·[E]

其中，M_a为水对机体产生的附加质量矩阵，D为有限元模型节点速度向量与流速向量数值积分得到的系数矩阵，E为有限元模型节点作用力与流速向量数值积分得到的系数矩阵。

步骤4中，考虑水为各向同性、不可压缩的理想流体，以及附加惯性力的作用，将附加质量和全机质量叠加，代入固有模态运动方程：