气动弹性

气动弹性是物理学和工程学的一个分支，研究在弹性体暴露于流体流动时发生的惯性力、弹性力和空气动力之间的相互作用。气动弹性的研究可以大致分为两个领域：静态气动弹性处理弹性体对流体流动的静态或稳态响应；和动态气动弹性处理身体的动态（通常是振动）响应。

飞机容易产生气动弹性效应，因为它们需要重量轻并承受较大的气动载荷。飞机的设计旨在避免以下气动弹性问题：

1. 发散，其中空气动力增加了机翼的迎角，从而进一步增加了力；
2. 控制反转，即控制激活产生相反的气动力矩，降低或在极端情况下反转控制有效性；和
3. 颤振是一种不受控制的振动，可导致飞机毁坏。

气动弹性问题可以通过调整结构的质量、刚度或空气动力学来防止，这些结构可以通过计算、地面振动测试和飞行颤振试验来确定和验证。通常通过仔细放置质量平衡来消除控制面的颤动。

1926年，汉斯·赖斯纳(HansReissner)发表了机翼发散理论，导致对该主题的进一步理论研究。术语气动弹性本身由铸造哈罗德Roxbee考克斯和阿尔弗雷德Pugsley在皇家航空研究院（RAE），法恩伯勒在1930年代早期。

在发展航空工程在加州理工学院，西奥多·冯·卡门开始了课程“弹性应用于航空”。在教授了一个学期的课程后，卡门将其转交给了欧内斯特·埃德温·塞克勒(ErnestEdwinSechler)，后者在该课程中开发了气动弹性，并出版了有关该主题的教科书。

1947年，亚瑟·罗德里克·科勒(ArthurRoderickCollar)将气动弹性定义为“对作用在暴露于气流中的结构构件上的惯性力、弹性力和空气动力的三角形内发生的相互作用的研究，以及这项研究对设计的影响”。

在飞机中，可能会出现两种显着的静态气动弹性效应。发散是一种现象，其中机翼的弹性扭曲在理论上突然变为无限大，通常会导致机翼失效。控制反转是一种仅发生在带有副翼或其他控制面的机翼中的现象，其中这些控制面反转其通常的功能（例如，与给定的副翼力矩相关的滚转方向被反转）。

当升力面在空气动力载荷作用下向一个方向偏转时会发生发散，该方向在正反馈回路中进一步增加升力。增加的升力使结构进一步偏转，最终使结构达到发散点。

控制面反转是由于主升力面变形导致控制面预期响应的损失（或反转）。对于简单模型（例如欧拉-伯努利梁上的单副翼），控制反转速度可以通过分析推导出扭转发散。控制反转可用于获得空气动力学优势，并构成Kaman伺服襟翼转子设计的一部分。

在1950年至1970年期间，AGARD开发了气动弹性手册，其中详细介绍了用于解决和验证气动弹性问题的过程以及可用于测试数值解的标准示例。

气动弹性不仅涉及外部气动载荷及其变化方式，还涉及飞机的结构、阻尼和质量特性。预测涉及将飞机的数学模型制作为一系列由弹簧和阻尼器连接的质量，这些质量经过调整以表示飞机结构的动态特性。该模型还包括施加的空气动力及其变化方式的详细信息。

该模型可用于预测颤振余量，并在必要时测试潜在问题的修复。精心选择的质量分布和局部结构刚度的微小变化可以非常有效地解决气动弹性问题。

预测线性结构颤振的方法包括p方法、k方法和pk方法。

对于非线性系统，颤振通常被解释为极限循环振荡(LCO)，可以使用动力学系统研究中的方法来确定颤振发生的速度。

• 最初的塔科马海峡大桥因气动弹性颤动而被毁坏。
• 布拉尼夫542航班上洛克希德L-188Electra的螺旋桨旋转颤动。
• 1931年横贯大陆和西部航空公司的FokkerF-10坠毁。
• GAFJindivik无人机的身体自由颤动。