空气舵气动力-脉动压力-结构耦合响应分析

郭 静，张 忠，谷迎松，王建民，李海波，高 博

（1.北京强度环境研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室，北京100076；2.西北工业大学 航空学院，西安710072）

0 引言

航天飞行器在大气中飞行时，气流与结构之间的相互作用会导致其表面气流出现复杂的流动形式，包括湍流、分离和激波振荡等[1]，从而使得飞行器遭受严酷的脉动压力载荷，这种脉动压力亦被称为“气动噪声”[2]。脉动压力频带较宽，通常覆盖了低频、中频和高频，总声压级为130～170 dB[2-3]。强烈的脉动压力载荷对飞行器结构和内部仪器设备而言构成恶劣的振动与噪声环境，造成结构的疲劳损坏或仪器设备失效甚至任务失败。因此，预测脉动压力引起的飞行器结构振动响应，对于飞行器载荷环境设计及保证飞行可靠性具有重要意义[4]。

另一方面，航天飞行器以高马赫数飞行时将承受严酷的气动力载荷。气动力与结构惯性力、弹性力相互耦合，引发了气动弹性问题[5-6]。严重的耦合效应将可能导致飞行器结构或全机发生颤振，造成飞行器性能下降甚至结构破坏，危及飞行安全。

气动力、脉动压力、结构振动相互作用，互为因果，组成复杂的多场耦合系统，给动力学分析带来极大挑战。目前，国内外现有的耦合响应分析方法主要包括两类：一类是不考虑气动力与结构的耦合作用，仅考虑脉动压力作用下结构的动响应，即为声振响应预示问题[7-8]；另一类是不考虑脉动压力的作用，仅考虑气动力与结构的耦合效应，即为气动弹性问题[9-11]。……