什么是颤振？深度解读等你来

　　人们最早接触到颤振现象是在航空领域，第一次世界大战初期就有轰炸机因发生颤振而坠毁，这促使人们开始研究气动弹性颤振问题。

　　1、什么是颤振？

　　所谓颤振，是一种复杂的气动弹性动力学不稳定现象，是流体诱发的一种自激振动，飞机颤振是作用在机翼、尾翼等结构上的非定常空气动力、惯性力以及弹性力耦合引起的振幅不衰减的自激振动。

　　我们日常能看见的振动基本只有惯性力和弹性力，例如足球在地上的弹跳、拨动琴弦后琴弦的振动等，由于阻尼的缘故，这种振动总是不断衰减直至消失。

　　对于飞行中的飞机，除了自身结构固有的惯性力与弹性力外，同时也持续处于外界气动力的作用之下，一旦发生振动，结构形变就会引起附加的气动力。

　　正常情况下，气动力的作用方向与振动位移方向是同步的（相位差为0°），每次机翼恢复至中立位时气动力与振动方向相反，整个系统能量恒定。

　　一旦两者之间的相位差为90°时，这时候的气动力就像荡秋千一样顺着振动方向施加作用力，且气动力的大小和结构形变也是成正比的，能量迅速累积，导致结构振动一发而不可收拾，转眼间造成毁灭性结果（请脑补好莱坞大片效果）。

　　2、什么是颤振模态、颤振型？

　　先来回忆一下学校里做的简单的悬臂梁共振试验，找到悬臂梁的固有频率，然后施加一个同样频率的周期力就可以引发共振。

　　而对于复杂的结构就有了“结构模态”的概念，一个复杂结构的振动可以被看作为多个单自由度振动的叠加，即多个结构模态的叠加。每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。颤振模态和颤振型就是颤振专业所关心的结构模态和相应的模态振型。还是以机翼为例，一个机翼的典型颤振模态包括：

　　机翼一弯（即一个弯折）或机翼一扭（即一个扭转）；

　　机翼二弯（一个S型的弯折），高于二弯的模态通常不需要考虑；

　　不仅是机翼本身，还需要考虑吊挂在机翼下的发动机，包括发动机俯仰（发动机的点头运动和机翼耦合）、发动机偏航（发动机摇头的运动和机翼耦合）等等。

　　除了机翼以外，全机颤振模态分析还需要对垂尾、平尾和机身等结构进行计算，而且每一个模态的固有频率和阻尼比都会随着飞行速度而变化。

　　3、经典颤振与失速颤振是什么？

　　失速颤振是由于每个振荡周期（至少一部分）内，气流与翼形部分或完全分离而引起的一种物理现象，它与空气动力特性的非线性有关。失速颤振是叶片与非定常分离流密切相关的、最常见的颤振问题，可能遭受失速颤振的结构有很多，如悬索桥、直升机旋翼、涡轮机叶片、活动百叶窗条板，以及汽车上的导流板和扰流器等。

　　经典颤振主要出现在飞机机翼上的气动弹性不稳定性现象，是一种流动始终附体的颤振。发生经典颤振的系统多是由于系统多个自由度之间相互耦合而产生的，因此，工程上不会发生单自由度的经典颤振。

　　4、经典颤振与失速颤振之间的区别是什么？

　　空气动力方面的不同。经典颤振发生在势流中，流动分离和边界层效应对颤振过程无重要影响；失速颤振与流动分离和漩涡形成有直接的关系。

　　颤振形成原因不同。经典颤振是多个自由度之间耦合作用的结果；失速颤振的发生既不取决于惯性、弹性和气动耦合，也不取决于运动和运动引起的气动力间的相位差。

　　失速颤振原则上可以计算振动的最终平衡振幅；在经典颤振中，通常只确定稳定边界。

　　5、到底什么情况下会发生颤振？

　　以飞机为例。从振动角度来说，在地面上的飞机受到扰动后会引起振动，但由于阻尼的缘故，这种振动总是不断衰减直至消失。在飞行中的飞机，由于种种原因，也会引起振动，但由于处于气流中，情况就有所不同，一旦发生振动，就会引起附加的气动力。

　　在这些气动力中，有些起着激励作用，有些起着阻尼作用。当飞行速度较小时，由于气动阻尼作用，振动衰减很快。当速度增大到一定程度后，振动衰减便逐渐减慢。当达到某一飞行速度后，扰动引起的振幅正好保持不变，这个速度便称为颤振速度，振动频率称为颤振频率。在超过临界值很小的飞行速度下，即使偶然的小扰动也会引起飞机激烈的振动，这就发生了颤振。

　　从能量的观点来看，以翼段结构为研究对象，分析其能量在振动过程中的变化。翼段的能量包括动能和势能，当不考虑结构阻尼引起的能量耗散，且没有外力做功时，系统是一个保守系统，其动能与势能之和为常值。若考虑结构阻尼引起的耗散，则翼段能量会在振动过程中会逐渐降低为零，因此系统是稳定的。若气动力对翼段结构做正功，且大于阻尼耗损的能量，则翼段能量就会在振动过程中逐渐累积，导致振动响应的无限扩大，从而引发失稳，发生颤振。

　　6、颤振试飞危险吗？

　　危险！通常一架新机颤振试飞从M0.75或250节开始，逐步向飞行包线右边界逼近，每一次颤振试飞都在突破之前创造的速度记录！

　　关于颤振造成的灾难性后果可以百度搜索关键词“塔可马大桥”，这是飞行器设计专业颤振入门必修案例。一般出现颤振现象后振动发散极快，这座桥当时经历的横向侧风为17m/s，而作用在飞机上的“风速”可达150m/s，这座桥发生颤振的过程能够被摄像机记录下来，而飞机发生颤振到解体则是一瞬间的事情，飞行员根本来不及反应。

　　不过感谢适航当局，适航条款没有要求试飞时要飞到颤振边界。因为颤振试飞的目的是为了获取足够的数据以修正颤振设计模型，所以条款仅要求要证明飞机在直至俯冲速度Vd/Md的所有速度下，都有合适的阻尼余量，以及在接近Vd/Md时，阻尼无大幅度的迅速减小。即直到Vd时阻尼余量不小于0.03，外推至1.15Vd时阻尼余量不小于0。

　　也就是说飞机只要飞到Vd/Md就可以了，离真正会发生颤振的速度至少还应该有15%的空间，而这15%靠不靠谱就要靠我们飞机的设计人员来保证了。

　　7、如何预防颤振

　　消除颤振是飞机颤振工程师的最终目标，然而飞机颤振的机理复杂，只有在飞机设计的最后阶段，飞机结构、气动构型、控制系统等能够被合理准确地建立起来了，这时才能对新设计的飞机进行精确的颤振特性分析。

　　然而防止颤振研究在新型号飞机研制的早期阶段就要开始进行，这种研究贯穿于新型号飞机研制的全过程。通常，防止颤振研究包括颤振理论分析、缩比颤振模型的高低速风洞试验、全机地面共振试验以及颤振飞行试验等。

　　由于理论分析和试验模型在对真实飞机的模拟上存在固有的不足，飞机颤振飞行试验处于防颤振研究的最终环节，既以各项计算、风洞试验和地面试验的结果为基础，又是这些工作的补充和鉴定。

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