基于静气弹性能的风力机翼型设计研究

周景岳

摘 要：由于飞机是在高空作业且移动速度快，所以极易受到风力阻力的影响导致飞机的操作特点发生改变，并使机翼发生气弹效应。当受到风力的影响到达一定值时，则会导致出现安全事故，而基于静气弹性能的风力机翼型能够有效地降低机翼对扭转发散的敏感度，促使机翼能够拥有良好的静气弹性能。基于此，本文主要研究基于静气弹性能的风力机翼型设计，希望对相关人员有所启示。

关键词：静气弹性能;风力机翼型;设计研究

引言：

就目前情况而言，随着我国社会经济的发展，我国的航空航天领域也得到了相应的发展，飞机是航空航天领域必要的交通工具，同时也是现代社会的高科技产物，是促进我国经济发展必不可少的一种交通工具。而翼型作为风力叶片的基本元素，既是风能捕捉的源头，也是叶片荷载的源头，因此，开展基于静气弹性能的风力机翼型设计研究对于提高翼型的稳定性十分重要。

1飞机中静气弹问题

1.1气动荷载重分布与升力效率改变

首先，从气动荷载重分布的角度来看，当机翼受到气动荷载时，机翼的内力分布情況会发生变化，与传统的刚性机翼不同的是，弹性机翼的在受到气动荷载时会发生变形，而当机翼变形之后会导致气动荷载在机翼内分布结构发生变化，这就使得飞机不得不转变自身的飞行角度来减小弹性机翼受到的影响，这就导致在实际操作过程中，飞机的操纵特性发生改变，操作难度增加，稍有不慎则会导致机翼受到影响，严重时甚至会引发安全事故，这对飞机上的乘客及工作人员的生命安全带来了严重的威胁[1]。

其次，从升力效率改变的角度来看，由于弹性机翼受到了气动荷载的影响导致升力效率发生转变，升力效率值越高，则说明翼型静气弹性能越差，进而导致机翼无法克服自身的重力，致使飞机的操作特性发生改变。

1.2扭转发散与静稳定裕度变化

由于在实际飞行的过程中，弹性机翼容易受到风力阻力的影响导致机翼变形，而当机翼变形后机翼内部结构中的作用力则会发生改变，从而使得机翼无法发挥静稳定平衡的功能，致使机翼的稳定性严重下降，同时也使得机翼形成扭转发散，扭转发散的力量会导致机翼的扭转位移发生改变，当扭转发散到达一定值时，机翼的焦点位置也会随之改变，致使飞机的静稳定裕度发生变化，从而导致飞机的操纵特性发生改变，操作难度增加，极易发生坠机时间[2]。

1.3副翼反应

当弹性机翼受到较大的外力影响时，反对称副翼偏转产生的气动滚转力矩引起飞机的滚转运动，致使副翼效率发生变化，当飞行速度到达一个临界值时，则会导致副翼反效现象发生，进而使得飞机的稳定性严重降低。

2翼型静气弹性能

气动弹性力学属于一种物理力学学科，其主要研究的是气动力、惯性力与结构弹性之间的依赖程度的量，也就是气动力与惯性力、气动力与结构弹性、惯性力与结构弹性之间的耦合作用。气动弹性能与单纯的固体力学和流体力学不同，固体力学与流体力学一般是研究固体与固体之间或流体与流体之间的作用力，而动气弹性能主要研究的是固体与流体之间的作用力，而这种作用力是流体力学给予固体力学或固体力学给予流体力学的，是两者之间相互依赖的关联作用力。静气弹性力学是结构弹性与气动力之间耦合作用的分支，自静气弹性力学提出之后，便被广泛的应用于飞机、高楼等众多领域的结构设计当中，并取得了良好的应用效果，经过了近百年的发展，静气弹性能也经过大量的实验取得了长足进展，现阶段，相关领域研究人员致力于研究更为复杂条件下的静气弹性能，其中，在风力机翼型中应用静气弹性能也得到了更加高效的求解方法[3]。

总体而言，翼型静气弹的扭转刚度和平移刚度之间是正相关的关系，即扭转刚度越大、平移刚度越大，若想降低扭转刚度，就需要降低气动扭矩对攻角的敏感性，而气动扭矩的敏感性与平移刚度之间成正比的关系，且由于气动阻力对气动扭矩的作用力较小，故而在力学上可以将气动阻力忽略不计，因此，要想降低翼型静气弹的扭转刚度，可以通过降低平移刚度来实现。同时，由于当翼型发生扭转位移时，翼型的平移位移会随着扭转位移的改变而改变，因此，若想翼型的平移刚度，可通过减小升力的作用力来实现。总体而言，翼型静气弹性能的公式如下所示。（其中：e为翼型气动中心距刚心的无量纲距离，θ为扭转位移，CM为俯仰力矩系数，CL为升力系数）

3静气弹性能的风力机翼型设计的优化模型与结果

3.1变量空间

本文所指的变量空间是在风力机翼型内的有效值，有效值越高，则说明机翼的性能更完善，反之，则说明机翼部分空间的使用效率不高。一个好的空间变量是提高机翼型使用性能的重要保障，但变量空间并不是越大越好，而是需要根据实际需求，结合机翼实际使用情况，促使变量空间内的密度合理，从而降低无效空间，确保风力机翼型设计的科学性与合理性。

就目前情况而言，传统的叶片外侧的薄翼型由于结构弹性与气动力学之间的设计不科学，致使很容易产生气弹效应，致使机翼无法发挥其正常的功能与价值，同时也容易造成翼型的损坏，严重时甚至会导致危险事故的发生，因此，传统的叶片外侧的薄翼型需要被替代，选择气动性能好、静气弹性能高的翼型防止叶片外侧。就目前情况而言，目前最新的翼型NACA 64618则是目前研发的性能最完善的翼型。

NACA 64618主要是对传统的薄翼型进行了空间变量上的优化，在保证外形相近的基础上，缩小了翼型的空间变量，从而减少了翼型上的无效值，提高翼型的使用效率，从而使得翼型稳定的发挥其正常功能。

3.2目标函数

目标函数主要是指翼型的静气弹性能，其中，静气弹性能指数越小，则说明翼型的弯曲弹性能与扭转其弹性能越好，这也就表示翼型不易出现气弹效应。再将目标函数细分为弯曲弹性能（ε）与扭转气弹性能（p）。

首先，从弯曲弹性能（ε）上来看，弯曲弹性能（ε）主要用来表示气动升力变化值，这也就说明，气动升力变化值越小，弯曲弹性能（ε）越小，则弯曲弹性能越好，弯曲弹性能（ε）公式如下所示。（其中，FL为气动升力变化值）

其次，从扭转气弹性能（p）上来看，从扭转气弹性能（p）主要来表示气动扭转的变化值，气动扭转的变化值越小，则说明气动扭转做的功越小，而气动扭转做的功越小，则说明扭转位移对扭转发散的作用力越小，进而能够提高扭转气弹性能（p）的性能，扭转气弹性能（p）公式如下所示。（其中，表示气动扭转的变化值）

3.3优化结果

从扭转位移的角度来看，NACA 64618翼型对气动扭转敏感度更小，因此，在实际使用过程中不容易受到气动扭转位移的影响，稳定性更高，同时也能够发挥更大的效率。同时，气动升力变化值较小，这说明机翼不容易发生气弹效应，说明平移位移不容易受到扭转位移的影响，气动性能的稳定性较高。由此可见，NACA 64618这一利用静气弹性能理论的风力机翼型能够有效抑制叶片对阵风的敏感性，提高了翼型的使用性能及安全性能，同时也对叶片的扭转发散有着一定的作用，因此，NACA 64618翼型更适合应用于风力机翼型设计当中。

结论：综上所述，弹性问题给飞机的使用性能及使用安全带来了严重的影响，若不及时解决，则会严重限制我国航空领域的发展。因此，在风力机翼型设计时，需要考虑静气弹性能，降低风力机翼对扭转发散的敏感度，提高抑制叶片的扭转发散能力，在传统弹性翼型的基础上，改变空间变量，提高机翼的使用效率，同时针对弯曲弹性能与扭转其弹性能分别设置不同的目标函数，提高静气弹性能，从而提高飞机的稳定性。

参考文献：

[1]夏生林;赵利霞;黄祥.中等展弦比飞翼无人机静气动弹性研究[J].飞机设计，2019，12（15）：77-78.

[2]万春华;聂小华;王立凯.复合材料翼面结构静气弹分析[J].纤维复合材料，2020，08（15）：14-15.

[3]李闯.低风速长叶片风力机翼型气动分析及优化研究[D].江西：太原科技大学，2018.