气动弹性力学

涉及空气动力学和弹性结构力学的一个力学分支，主要研究飞机飞行时的弹性特点。飞机上有些空气动力(简称气动力)对微小的弹性变形非常敏感。当飞行速度超过某一临界值时，微小的弹性变形会明显地改变气动力的大小和分布；气动力的改变又进一步影响结构的弹性变形。气动力和变形的相互影响，会导致飞机难以飞行，甚至破坏。即使飞机速度低于临界速度，弹性变形也可能对飞机的性能产生较大的影响。所以，对于飞机设计来说，气动弹性力学至关重要。它有下述几个主要课题：

变形发散  或称变形扩大。长直机翼的扭轴(即弯心连线)位于气动中心线(即气动力中心连线)之后，举力对扭轴的力矩会使机翼扭转而增大攻角，因而又增大举力，使机翼产生更大的扭转。在飞行速度较低时，这种相互影响越来越小，机翼处于稳定平衡状态。但当飞行速度提高到某一值时，机翼就不能处于稳定平衡状态，扭转变形逐渐扩大，这种现象称为机翼扭转发散。飞行速度的这个临界值简称发散速度。对于后掠机翼，不仅扭转能改变攻角，弯曲也能改变攻角，因而后掠机翼的变形发散称为机翼弯扭发散。由于后掠机翼向上弯曲会减小攻角，所以机翼后掠能提高发散速度；反之，机翼前掠则会降低发散速度。变形发散是静稳定性问题，在数学上属于本征值问题。

操纵反效  偏转飞机副翼能产生滚动力矩，使飞机滚转。由于机翼的弹性，副翼的效应会随飞行速度的增大而降低，这在后掠机翼上尤其严重。当飞行速度达到某一值时，机翼上气动力引起的弹性变形会使副翼失效(即副翼效应为零)，飞机无法操纵。这时的飞行速度称为反效速度。飞行速度超过反效速度后，副翼效应为负而起相反的作用。为使飞机能正常飞行，不但要使飞行速度低于反效速度，而且必须保证有足够的副翼效应。所以，在设计飞机时要算出副翼效应随飞行速度变化的曲线，以供核验。由此曲线，按副翼效应等于零，也可求得反效速度。其他操纵面如尾翼的舵面也有同样问题。影晌尾舵效应的，主要是机身的弹性变形。操纵效应问题在力学上是响应问题，但反效问题仍属本征值问题。

颤振  它是气动弹性力学中最重要的课题。飞机飞行速度低时，机翼(或尾翼)的任何自由振动，都会因阻尼而衰减。但飞行速度超过某一值时，微小扰动就会引起振动发散，振幅急剧增大，使机翼(或尾翼)在2～3 秒钟内破坏，这种现象就叫颤振，而出现这一现象时的飞行速度为颤振速度。产生颤振的基本原因是：翼面振动的瞬间气动力与弹性位移之间有相位差，使振动发散所需的能量从气流中注入结构振动中，在气动力作功大于阻尼力消耗功的情况下，就发生颤振。颤振是个动稳定性问题，其特点在于气动力要按非定常气动理论或准定常气动理论计算。

抖振  气流中的湍流也会引起结构振动，这种运动往往是没有规律的，称为抖振。飞机某个部件上若有气流分离，就可能引起另一部件发生抖振。例如，尾翼抖振就是由于机翼和机身联接处有气流分离而造成的。防止抖振的方法是，将飞机外形设计成流线型，合理安排尾翼相对于机翼和机身的位置。

突风载荷  飞机飞行时总会遇到垂直于飞行方向短时间的突风。在大型飞机的强度计算中，突风是必须考虑的因素。这方面的计算必须考虑到飞机的弹性。按弹性飞机对突风的响应算出机翼根部的弯矩，比刚性飞机的值大15%～20%。

参考书目 冯元桢著，冯钟越等译：《空气弹性力学引论》，国防工业出版社，北京，1963。(Y.C.Fung， An Introduction to the Theory of Aeroelasticity， John Wiley & Sons，New York，1955.) R. L. Bisplinghoff，H. Ashley and R.L. Halfman，Aeroelasticity， Addison-Wesley，Cambridge，Mass-achusetts，1957. E. H. Dowell，et al.， A Modern Course in Aeroelasticity， Sijthoff & Noordhoff，Alphen aanden Rijn，1987.