Improvement of Aircraft Rolling Power by Use of Piezoelectric Actuators

利用分布粘贴在矩形机翼上下两面的压电驱动器，验证了使用该类结构提高飞行器横滚能力的可能性。针对常规的副翼操纵面与虚拟操纵面(Fictitious Control Surface)两种方案，比较了在不同速压或不同刚度下两类方案的表现。分析结果表明二者有本质的差别：对于常规的副翼操纵方案，气动弹性效应是不利的，必须保证机翼具有足够的结构刚度以防止副翼反效问题；但对于虚拟操纵面方案，气动弹性效应是有利的，可以使用较小的能量控制较为柔软的机翼达到要求的横滚性能。计算结果显示，利用压电驱动器的方案可以大大减少结构重量。     

利用压电驱动器改善飞机横滚性能的试验验证

利用分布粘帖在矩形机翼上下两面的压电驱动器,探索使用该类结构提高飞行器横滚能力的可能性。通过风洞模型设计、材料性能测试、模型固有特性测试、压电柔度矩阵测试等试验项目,保证了有限元模型的计算精度,最终通过模型的风洞试验验证了利用气动弹性效应,获得了附加升力与横滚力矩的方案。该原理性试验说明利用分布式压电驱动器改善横滚性能是可行的。     

机翼扭转和副翼偏转横滚操纵比较研究

机翼扭转和经典副翼后缘偏转都是未来可能的智能机翼横滚操纵方案。采用Fluent仿真软件对扭转式机翼与经典副翼构型机翼进行了对比研究,主要分析两者在升阻性能、横滚操纵力矩、压力分布等方面的差异和特征规律,得到了扭转变形机翼相对副翼舵面的横滚操纵当量作用和气动优势。所设计的机翼方案由于扭转式机翼横滚操纵的机翼变形连续性以及所需扭转角度较小,易于保持流场的附着和稳定,所以达到相同横滚力矩系数,扭转式机翼所需扭转角度为副翼偏转角度的30%～50%左右,并且升阻比显著优于副翼式机翼,而且随着操纵角度增大优势更加明显,在大舵角操纵时扭转式机翼升阻比超过副翼式机翼约一倍。     

压电驱动器的气动弹性应用

 随着压电智能材料与结构的发展,压电驱动器在气动弹性控制领域占据重要地位。使用压电驱动器控制翼面变形,利用而不是抵抗气动弹性效应可以控制升力、力矩以及它们的分布。采用基本相同的智能结构翼面控制系统,根据不同的控制目标需求,使用压电智能材料驱动器可以达到多种目的,包括静态的形状控制与动态的颤振抑制、抖振控制与阵风响应控制。静态控制方面例如改变翼面形状获得附加空气动力以增加升力、提供横滚力矩、改变升力分布以减小诱导阻力或减小翼根弯矩等;动态控制例如利用改变翼面形状产生的附加空气动力作为控制载荷,改变气动弹性系统的耦合程度,根据控制效果要求可作为气动阻尼、气动刚度或气动质量。这种控制方法可以减轻结构重量,提高操纵效率,扩大飞行包线,提高材料利用率,已成为可变形飞行器的重要研究内容。本文主要阐述压电驱动器气动弹性应用的动机与机理、发展与成就以及问题与展望。     

复合材料后掠翼机翼气动弹性分析

对于复合材料后掠翼机翼,扭转发散问题一般并不突出,其操纵面的操纵效率和颤振临界动压是比较关心的两个问题.文章采用 COMPASS 软件,对某复合材料后掠翼飞机进行了操纵效率分析,并重点计算了该机在不同高度下颤振速度随马赫数的变化情况,详细分析了机翼振动、颤振特性随蒙皮不同铺层比变化情况.结果表明,舵面操纵效率随着马赫数的增加而降低,飞机设计要通过设计参数调整选择合适的副翼反效动压与扭转发散动压之比,使飞行范围内的操纵效率尽可能高;同时复合材料后掠机翼的弯扭耦合效应相当突出,而复合材料剪裁可以调整0°、±45°、90°铺层比例,提高结构扭转刚度,从而提高飞机颤振速度     

大展弦比弹性机翼梁腹板厚度优化设计

在设计机翼时,要求机翼不仅要具有足够的强度,而且还应具有足够的刚度,以保证其满足气动特性要求及其他要求。翼梁腹板厚度设计对机翼强度和刚度影响很大。所以,如何设计翼梁腹板厚度的展向分布,使机翼满足强度要求和刚度要求,是一个非常有意义的问题。本文针对某无人机机翼结构,研究了满足静强度要求、气动特性要求和副翼操纵效率要求的弹性机翼腹板厚度展向分布的设计方法。首先,根据无人机机翼气动特性设计要求设计机翼的刚度大小沿展向分布;然后,根据展向机翼刚度展向分布设计机翼腹板厚度分布;最后,分析该无人机在给定设计飞行状态下的强度和副翼操纵效率,并对其进行优化。     

某型机飞机配平控制器故障浅析

正1背景描述配平主要用于飞机巡航状态,其作用在于消除不平衡力矩和稳态时的杆力,通过调整配平片的位置,能够使舵间压差达到平衡状态,从而减轻飞行员驾驶疲劳;副翼是安装在机翼翼梢后缘外侧的一小块可动翼面,是飞机的主操作舵面,通过操纵副翼,使其产生滚转力矩,即可实现飞机做横滚机动。副翼配平即为副翼控制系统增加配平功能,以此获得在副翼操纵过程中减轻飞行员操作负担,改善飞行性能之目的。2故障描述     

压电纤维复合材料铺层用于翼面设计的驱动特性与刚度影响

压电纤维复合材料驱动器在形状控制、振动控制、颤振抑制与抖振控制等方面有广泛的应用前景。首先简单介绍了压电应变驱动的比拟载荷方法,并采用该方法讨论了压电陶瓷片状驱动器与压电纤维复合材料驱动器在驱动特性上的主要差异。在此基础上,对压电纤维复合材料在不同铺设方式、铺设角度与铺设层数下的驱动特性进行了分析,在刚度影响方面展示了不同铺设角度下模型刚轴的移动。分析结果表明:对称铺设反向电场可以同时获得弯曲与扭转变形,而反对称铺设同向电场主要获得扭转变形;两种铺设方式下45°铺设角均获得最大弦向转角,而0°铺设角将获得最大挠度;多铺层可以增加驱动载荷,但总体变形效果还取决于结构系统的刚度比例;对称铺设方式下铺设角对结构刚轴移动的影响非常明显,在气动弹性控制中应着重关注。     

飞翼布局舵面连接的气动弹性建模与计算

以一种高机动飞翼布局为背景,建立全机的三维有限元模型,模拟飞机的真实结构,并与空气动力模型耦合插值,进行气动弹性的仿真分析。针对此翼面上有升降舵的多舵面布局,建立了俯仰运动下不同于翼面上只有副翼的动力学模型。主要研究了在舵面连接的局部建模中,因连接方式不同导致舵面支撑刚度和操纵刚度的不一致而对舵面操纵效率造成的影响。根据舵面悬挂点与摇臂操纵形式的不同,提出了四种连接方式的局部模型。通过相应的四个模型在同一飞行状态下的仿真计算与结果分析,总结出了舵面连接方式建模的变化规律,得出的结论为类似飞机的舵面连接及结构设计提供了参考。     

大展弦比机翼总体刚度的气动弹性优化设计

针对大展弦比机翼总体刚度设计问题,提出了梁架模型气动弹性优化和三维优化模型折算两种设计方法,并以大展弦比机翼为例对两种方法的合理性进行了验证.前者基于机翼梁架式模型,利用气动弹性优化方法对其主梁刚度进行设计,其特点是建模简单、计算效率较高,可以在设计信息较少的概念和初步设计阶段使用,但由于约束条件考虑较少,设计结果相对...     

Static aeroelastic analysis including geometric nonlinearities based on reduced order model

This paper describes a method proposed for modeling large deflection of aircraft in non-linear aeroelastic analysis by developing reduced order model (ROM). The method is applied for solving the static aeroelastic and static aeroelastic trim problems of flexible aircraft containing geo-metric nonlinearities; meanwhile, the non-planar effects of aerodynamics and follower force effect have been considered. ROMs are computational inexpensive mathematical representations com-pared to traditional nonlinear finite element method (FEM) especially in aeroelastic solutions. The approach for structure modeling presented here is on the basis of combined modal/finite ele-ment (MFE) method that characterizes the stiffness nonlinearities and we apply that structure mod-eling method as ROM to aeroelastic analysis. Moreover, the non-planar aerodynamic force is computed by the non-planar vortex lattice method (VLM). Structure and aerodynamics can be cou-pled with the surface spline method. The results show that both of the static aeroelastic analysis and trim analysis of aircraft based on structure ROM can achieve a good agreement compared to anal-ysis based on the FEM and experimental result.     

Closed loop roll control using aeroelastic information

A mathematical model of the rolling dynamics of a flexible wing is derived by experimental measurements and 3D potential flow analysis. Based on the mathematical model which includes one aeroelastic parameter, control laws are designed which almost completely eliminate the problem of reduced aileron efficiency for increasing airspeed. Finally, the control laws are tested on the model in the wind tunnel, and good correlation with computer simulations is achieved, except when a structural mode is excited.     

大展弦比复合材料机翼结构建模与气动弹性分析

建立了具有任意截面形状的大展弦比复合材料翼的结构模型。研究了机翼的两种铺设方式：即周向均匀刚度配置（CUS）和周向反对称刚度配置（CAS）。对于复合箱梁情形,目前的结构建模方法正确性通过ANSYS有限单元软件得到了验证。为了研究具有NACA0012翼型的大展弦比复合材料机翼的气动弹性问题,利用线性ONERA空气动力模型来描述小攻角情形下的非定常空气动力载荷。最后,利用U—g法预示了机翼在各种复合层铺设角度下的颤振速度。     

副翼刚度模拟器优化设计与分析

副翼刚度模拟器是对副翼作动器的支撑刚度进行参数模拟的装置,是航空地面载荷试验中的关键器件,研究副翼刚度模拟器的刚度随位置的变化规律有利于其设计和应用,具有重要的工程价值。建立力学模型,提出刚度折减系数,探讨刚度模拟器的刚度特性;进行模拟器刚度仿真,并通过刚度测试试验验证力学模型和仿真的正确性;以目标刚度对距离的敏感性对...     

带副翼偏转的三角翼自由滚转运动数值模拟

 通过耦合求解非定常Euler/Navier-Stokes方程和单自由度滚转运动方程,对带副翼偏转的65°后掠角尖前缘三角翼WI1-SLE自由滚转运动进行了研究,Navier-Stokes方程的求解采用基于Spalart-Allmaras湍流模型的脱体涡模拟(DES)。在多块结构网格上,应用基于弧长的无限插值理论(TFI)生成变形网格,实现副翼偏转,而三角翼的滚转运动则通过网格的整体旋转实现。结果表明:Euler方程和DES方法均准确地模拟出了三角翼在滚转运动过程中存在的3个平衡位置。出现平衡位置的原因分别是:①流动对称性;②机翼左侧发生涡破裂的分离涡与右侧分离涡相互平衡使得滚转力矩为0,并且平衡位置仅与三角翼两侧涡强的差有关;③副翼偏转和左右机翼不对称分离涡涡强差产生的滚转力矩相互平衡。此外,滚转运动对副翼偏角幅值很敏感,幅值的微小改变会影响最终的平衡位置和向平衡位置运动的路径。     

阵风载荷减缓系统故障分析

阵风引起的额外载荷会引起飞机结构疲劳,降低结构使用寿命。采用非定常气动力有理函数拟合方法建立时域状态空间下的动力学系统,设计了阵风载荷减缓系统。研究了阵风载荷减缓系统3种典型故障模式(副翼偏转饱和、舵机卡死、副翼偏转延时)的力学建模方法,并对机翼在阵风减缓系统故障模式下的阵风响应进行分析。仿真结果表明,3种故障模式均不利于阵风载荷减缓系统对阵风载荷的减缓,对于一些特定情况,故障模式下的阵风载荷减缓系统不仅不能减缓阵风载荷,还会带来由副翼偏转不当引起的额外负载。     

轻型飞机副翼操纵系统中改进的RSSR机构研究

精确控制副翼偏转角度对提高轻型飞机的操纵性能具有重要意义,将改进的空间四连杆机构——RSSR应用于轻型飞机副翼操纵系统的传动末端,采用方向余弦矩阵法建立RSSR机构运动的数学模型,并推导出该机构的位移方程,在ADAMS软件中对该机构进行参数化建模,确定目标函数、约束函数和驱动函数;优化算法选用广义简约梯度算法,对敏感程度较高的设计变量进行优化设计。结果表明:RSSR机构中各点的相对位置对副翼偏转角度影响较大,副翼上下偏转角度的相对误差分别从初始的2.35%与5%降低为0.100 5%与0.103 3%,采用RSSR机构可有效提高对飞机副翼偏转角度的控制精度。研究成果最终应用于某五座复合材料轻型飞机样机中。     

基于Broyden法的旋翼多体系统气动弹性分析

建立了旋翼多体系统气动弹性模型并给出了一种适合于该模型响应计算的数值计算方法。采用柔性多体系统动力学方法建立旋翼气动弹性模型,利用驱动约束显著简化约束方程形式,集成大变形桨叶模型,准确考虑变形的非线性,适合于对采用柔性结构的先进旋翼进行气动弹性分析。基于Broyden法改进隐式积分法积分一步中非线性方程的求解,避免求取切线矩阵和矩阵求逆运算,保持隐式积分法具有较好稳定性的同时提高计算效率,解决了旋翼多体系统气动弹性力学方程隐式表达且具有较强非线性和较高刚性比造成的响应计算困难。通过模型旋翼桨叶响应计算验证了结构模型与气动弹性响应求解方法。采用建立的气动弹性模型计算悬停和前飞状态旋翼气动弹性稳定性,与试验结果对比验证了模型的正确性。研究了不同的稳定性计算方法、桨叶结构模型和入流模型等对悬停和前飞稳定性计算的影响,结果表明本文所采用的结构、气动模型及气动弹性稳定性计算方法提高了气动弹性稳定性分析精度。