一种基于Newmark方法的内埋武器舱折叠舱门气动弹性动力响应数值计算方法

摘要

一种基于Newmark方法的内埋武器舱舱门气动弹性动力响应数值计算方法，将内埋武器舱打开和关闭过程中折叠舱门的动态响应视为两部分的叠加：一部分为电机驱动舱门机构运动所带来的刚体位移；另一部分为舱门结构在气动力作用下产生的弹性变形。在本方法中，将活塞理论作为气动弹性分析中的气动力模型，利用气动刚度矩阵和气动阻尼矩阵对气动力进行描述，借鉴四连杆机构的运动原理来分析舱门机构的运动规律，然后通过修正气动刚度矩阵和气动阻尼矩阵的方法来计及舱门的刚体运动对气动力产生的影响，根据Newmark方法进行舱门结构气动弹性动力学方程的数值求解。本方法考虑了武器舱打开和关闭动态过程中舱门的刚体运动对气动力产生的影响，提高了折叠舱门气动弹性动力响应分析的精确性，为折叠舱门气动弹性动力响应的数值计算提供了新思路。

主权项

一种基于Newmark方法的内埋武器舱舱门气动弹性动力响应数值计算方法，其特征在于实现步骤如下：(1)根据内埋武器舱折叠舱门的结构特点，在商业软件中建立折叠舱门的几何模型，折叠舱门的两部分分别称为大舱门和小舱门，大舱门一边与机身铰接，另一边与小舱门铰接，小舱门再通过两根支撑杆连接到机身上，为方便进行步骤(7)和步骤(8)中的插值，舱门主体用面进行建模；(2)将折叠舱门等效为一个四连杆机构，大、小舱门分别视为四连杆机构中的连杆，根据四连杆机构的运动原理分析舱门机构的运动规律，由给出的大舱门转动角速度的变化历程得到小舱门转动角速度和平动速度的变化历程；(3)在商业软件中对步骤(1)中建立折叠舱门的几何模型进行网格划分，舱门主体由壳单元构成，并赋予相应的材料属性，然后利用商业软件的功能提取出舱门有限元模型的总体刚度矩阵和总体质量矩阵以及结点坐标；(4)为适应气动力计算，建立舱门的升力面模型，升力面与舱门所在平面重合，并对升力面进行网格划分，并提取升力面结点坐标；(5)根据步骤(4)得到的升力面结点坐标，并结合大气密度、马赫数飞行参数生成初始总体气动刚度矩阵K_0q和初始总体气动阻尼矩阵C_0q，为步骤(7)中的结构动力学分析做准备，初始状态下总体气动刚度矩阵和总体气动阻尼矩阵的具体形式可根据气动力模型，结合Hamilton原理进行推导得到；(6)根据当前时刻舱门做刚体运动的平动速度和转动角速度，分析舱门与来流之间的相对速度，进而得到舱门的攻角α和气流偏角并对步骤(5)中的初始总体气动刚度矩阵K_0q和初始总体气动阻尼矩阵C_0q进行修正，得到当前时刻下的总体气动刚度矩阵K_q和总体气动阻尼矩阵C_q；(7)根据步骤(3)中的舱门结点坐标和步骤(4)中的升力面结点坐标，将步骤(9)得到的舱门结构当前时刻的结点位移向量w和结点速度向量通过样条插值方法插值到升力面上，得到升力面的结点位移向量w_q和结点速度向量并根据下式计算气动力：$F_q=K_q{w}_q+C_q{\stackrel{·}{w}}_q---\left(1\right)$式中F_q为作用于升力面结点的气动载荷列向量；(8)根据步骤(3)中的舱门结点坐标和步骤(4)中的升力面结点坐标，通过样条插值方法将步骤(7)中的气动载荷列向量插值到舱门有限元模型上，结合步骤(3)得到的结构总体刚度矩阵、总体质量矩阵和步骤(6)得到的总体气动刚度矩阵和总体气动阻尼矩阵，并根据Newmark方法进行舱门气动弹性动力学方程的求解，得到舱门结构下一时刻的响应，包括结点的位移向量w、速度向量和加速度向量(9)判断当前时刻是否达到设置的结束时间t_end，即是否满足：t≥t_end    (2)若不满足，则转到步骤(6)，时间步增加1，继续进行下一时间步的舱门气动弹性响应分析；若满足，则认为已完成0～t_end时间段内舱门的气动弹性响应计算，根据步骤(8)得到的舱门结构各时刻的气动弹性响应，输出舱门在0～t_end时间段内的气动弹性动力响应历程，实现内埋武器舱舱门气动弹性动力响应数值计算。