大展弦比柔性复合材料机翼的气动弹性剪裁

在考虑结构几何非线性、气动非线性影响的基础上,由气动弹性问题的最普遍方程,获得大展弦比柔性复合材料机翼颤振问题的非线性稳定性分析方程.使用解析方式推导得到机翼的临界颤振速度、颤振频率对于设计变量的灵敏度表达式.展示了复合材料机翼的铺设构型和铺层角对气动弹性特性的影响,指出产生负弯扭耦合效果的机翼截面构型有利于机翼的气动弹性性能.以机翼颤振速度作为目标函数,复合材料铺层角为设计变量进行了气动剪裁优化设计,在得到最优化的铺层构型和铺层角的同时,也比较了本文解析敏度和数值差分敏度得到的优化结果.      

考虑壁板刚度匹配的大型飞机复合材料机翼气动弹性优化设计

针对大型飞机复合材料机翼,发展了一种考虑壁板刚度匹配的气动弹性优化设计方法。基于敏度算法,以结构质量最小化为目标,以壁板刚度匹配、颤振速度、翼尖变形、设计许用值、工艺性等为约束,在严重载荷状态下设计复合材料机翼结构,研究不同壁板刚度匹配要求对于优化设计结果的影响,并与传统优化设计结果进行比较。结果表明:考虑壁板刚度匹配需要付出一定的结构质量,但对局部稳定性设计、损伤容限设计和大型复合材料壁板制造有利;壁板刚度匹配设计范围对于优化设计结果影响显著,需要根据设计和制造要求合理确定;压缩设计许用值是影响复合材料机翼气动弹性优化设计的关键约束。      

弹性变形对柔性机翼气动特性影响分析

针对大展弦比全复合材料机翼的非线性静气弹响应行为,采用CFD/CSM(Computational Fluid Dynamics/Computational Structural Mechanics)弱耦合方法,使用三维N-S方程和结构力学方程以及动网格生成技术和压强插值技术,通过高精度的数值模拟,求解了大展弦比柔性机翼在结构几何非线性变形状态下的非线性静气弹响应问题.算例分别对典型的大展弦比复合材料前掠机翼和后掠机翼进行了求解,计算结果表明,与前掠翼相比,后掠翼的升力系数明显降低,升阻比降低,严重偏离了刚性机翼的设计点,在柔性机翼的气动设计中必须加以考虑.      

76°/40°双三角翼前缘涡破裂及其控制实验研究

流动显示结果表明,喷流能有效地推迟双三角翼前缘涡的破裂,且随着攻角的增大,前缘涡破裂位置逐渐推后,喷流极大地改善了大攻角情况下前缘涡的非对称破裂特性,能有效地克服可能出现的机翼的"摇滚"现象.另外,后缘喷流可以减弱乃至消除前缘涡混掺现象的发生,进而有利于飞行器的操纵.      

76°/40°双三角翼前缘涡破裂及其控制实验研究

流动显示结果表明,喷流能有效地推迟双三角翼前缘涡的破裂,且随着攻角的增大,前缘涡破裂位置逐渐推后,喷流极大地改善了大攻角情况下前缘涡的非对称破裂特性,能有效地克服可能出现的机翼的"摇滚"现象.另外,后缘喷流可以减弱乃至消除前缘涡混掺现象的发生,进而有利于飞行器的操纵.     

攻角拉起时前体非对称涡诱导机翼摇滚运动

针对目前前体非对称涡诱导机翼摇滚研究时攻角往往处于静态而没有考虑攻角动态拉起的问题,在北航D4风洞中采用细长旋成体与30°后掠翼的组合体模型,通过不同拉起速度下的机翼摇滚运动实验,分析了攻角拉起速度对前体非对称涡诱导机翼摇滚运动的影响及影响产生的原因;随后通过在快速拉起摇滚运动过程中进行模型表面压力测量,研究了快速拉起机翼摇滚的流动机理.实验结果表明,由于机翼摇滚运动的时间随攻角拉起速度增加而减少,使得在3个不同的拉起速度分区内,摇滚运动呈现为不同的运动形态,其中第3个快速拉起分区内的摇滚运动为与攻角静态时完全不同的类正弦摇滚运动形态.与攻角静态时机翼摇滚的流动机理不同,快速拉起时这种类正弦摇滚运动主要源于前体非对称涡随攻角的演化,前体非对称涡随滚转角的涡型切换不再重要.      

面向控制的仿鸽扑翼机纵向动力学建模与分析

鸽子飞行时常采用变频率和变振幅模式来操控翅膀扑动与扭转以达到高效飞行的目的。为了给研究扑翼机控制和分配算法提供通用的设计验证平台,建立包含3个控制输入自由度的仿鸽扑翼机动力学模型,并开展开闭环模型有效性验证。考虑机翼运动惯性力和力矩,基于Kane方程建立仿鸽扑翼机的纵向多刚体非线性模型。选择升降舵偏转角、机翼扑动角振幅和机翼扭转角振幅作为控制输入,定义机翼定周期扑动的操纵机制,估算面向控制模型所需的气动导数和操纵导数,建立面向控制的仿鸽扑翼机线性时变周期系统模型。基于Floquet理论对线性时变周期系统模型进行动稳定性分析,结果与开环时域仿真一致。从闭环角度对模型有效性和适应性进行验证,仿真表明,所建模型能有效反映仿鸽扑翼机时变周期动力学特性,并能支撑控制分配方法的设计研究。      

考虑多巡航工况的大型飞机气动弹性优化

针对目前大型飞机机翼常见的单点优化设计方法在考虑多巡航工况情况下非设计点性能较差的问题，提出了一种多工况气动弹性综合优化框架，考虑了不同的巡航工况，对大型飞机复合材料机翼开展气动弹性优化的研究。以最小机翼结构质量为目标，在气动弹性、应力/应变、强度等条件的约束下，通过遗传算法对机翼型架外形的蒙皮、腹板、凸缘等复合材料部件的铺层厚度展开设计，并根据优化结果进行了型架外形设计，采用高精度CFD/CSD耦合方法分析和校验了优化结果的升阻特性。研究表明:在不低于设计巡航外形气动性能的条件下，综合多巡航工况的气动弹性优化能有效减轻结构质量，从而减少整体燃油消耗。进一步对比分析了多巡航工况优化与单巡航工况优化，研究了巡航工况数目与优化结果之间的关系，结果表明:综合考虑多巡航工况的优化结果性能更好，且优化结果的整体性能随着优化巡航工况数目的增加而提升。      

大展弦比柔性机翼气动特性分析

长航时无人机在飞行过程中受气动载荷影响,其大展弦比机翼产生弯曲和扭转变形,这种弹性变形严重影响飞机的飞行性能和飞行安全,不能将此种飞机机翼当作传统的刚性机翼进行气动分析.针对一真实复合材料大展弦比前掠机翼,采用气动/结构一体化的分析方法,利用计算流体动力学(CFD)软件FLUENT和计算结构动力学(CSD)软件NASTRAN联合求解,研究了在不同载荷情况下大展弦比柔性机翼静气动弹性变形对机翼气动特性的影响.结果表明,大展弦比无人机机翼受载变形后升阻比降低,滚转力矩和偏航力矩显著增大,对飞机的纵向和横侧向气动性能产生不利影响,同时也证明此CFD/CSD耦合计算方法可以应用到柔性机翼的气动/结构一体化设计中.      

复合材料层板在弹性支持下的非线性稳定性

利用能量变分原理和非线性几何方程，建立具有弹性约束的复合材料层板，在面内载荷作用下的非线性稳定性控制方程组，通过运用广义傅里叶级数法对控制方程组进行求解，得到相应的截荷－中心挠度曲线。计算结果表明：非对称层合板在面内载荷作用下，一般产生的是向变形，但在一定的铺层顺序，边界条件、受载方式等情况下，也可能发生分叉型屈曲。     

共形波导场近似解及缝隙天线

把矩形波导一个宽面外突成均匀曲面构成的新波导统称为共形波导.利用金属波导边界条件、变分法、边界元素法构造这种新波导中主模场的一种近似解表达式,包括曲面横截线为对称、非对称圆弧,抛物线弧,双曲线弧,椭圆弧等.然后根据等效原理,推导非对称圆弧 矩形波导曲面上窄的纵向半波长缝隙的等效谐振电导的近似计算公式,给出计算曲线.这种解虽然是近似的,但却能解决这类共形波导缝隙天线的工程设计.     

双三角翼大迎角翼面压强分布与涡态相关分析

将双三角翼翼面测压试验结果与空间涡态观察测量结果进行了定性的相关对比分析,分析表明:垂直于双三角翼翼面的典型横截面上展向压强系数Cp分布与空间涡态有明显的对应关系,Cp分布的峰值数目反映了双三角翼的双涡态和单涡态,Cp峰值随α变化反映了涡强随α的变化,Cp峰值所在展向位置反映着涡核的展向位置,Cp峰形的平坦反映了涡的破裂.     

飞机复合材料构件设计、分析和制造数据集成

实施复合材料构件数字化定义是实现复合材料构件设计、分析和制造数据集成的基础.复合材料构件数字化定义包括几何建模和材料结构建模.总结了材料结构建模过程和材料铺放数据的组成,指出当前复合材料构件分析无法基于最终的真实纤维路径进行,采用离散三角形单元的真实纤维路径来近似铺层纤维的最终状态,并利用可扩展标记语言(XML,Extensive Markup Language)文件对材料铺放数据进行了描述,探讨了通过纤维路径数据到有限元网格的自动映射实现材料铺放数据的自动传递.最后,研究了设计数据到排样下料系统和激光投影系统的集成和接口数据组织方法.      

复合材料结构三维有限元分析的材料参数

在调研现有文献复合材料结构三维数值分析中材料参数的基础上,阐述了基于单层板材料性能数据建立复合材料三维材料参数的方法.通过对复合材料π接头结构的三维数值模拟和试验,研究了三维材料参数中不确定参数对结构刚度预测的影响;分别采用三维修正的最大应力准则、最大应变准则、蔡-胡准则和Hashin准则评价π接头的初始破坏,结合试验数据,研究不同失效准则对复合材料π接头结构的适用范围以及材料参数对初始破坏强度预测的影响.研究工作可为一般层合复合材料结构的三维建模提供参考,并为深入理解复合材料π接头结构力学性能、准确预测其破坏强度提供理论支持.     

经编织物增强聚丙烯复合材料

采用2种不同编织形式的经编织物经过热压成型制备了连续玻纤增强聚丙烯(GF/PP)复合材料,并利用扫描电子显微镜对该复合材料的浸渍状态微观形貌和空隙率进行了分析.同时研究了织物结构对复合材料浸渍性能的影响,讨论了影响复合材料力学性能的因素及其变化规律,比较了2种织物的编织形式.结果表明,经编织物法是制备热塑性复合材料的可行途径;不同织物形式具有不同的浸渍性能,直接影响复合材料的力学性能.      

压电层合板自适应结构的静力变形控制

针对板壳型自适应结构,研究了使用压电材料的层合板结构的静力变形控制.基于有限元法,计算出结构位移的灵敏度矩阵;利用该矩阵,建立位移控制方程组.当作动器数量与控制位移相同时,可解线性方程组,求出控制电压;当作动器数少时,采用优化方法求解,由此计算各作动器的控制电压,对自适应结构的静力变形,进行最优控制.算例比较了不同的控制情况.     

基于遗传算法的层合板分级铺层全局优化

针对受力分布差异较大的层合板,提出了一种复合材料铺层分级遗传优化方法.通过将结构铺层分解成全局铺层和各个区域铺层的方式,在分区域设计铺层的同时兼顾区域间的连接与较高的计算效率.针对性设计基因编码和遗传算子,各铺层基因分别进行独立遗传优化.编写了基于经典层合板理论的层合板截面刚度矩阵子程序,结合有限元方法(FEM,Finite Element Method)实现对模型的力学分析计算,获取挠度、重量等作为目标函数参数,根据Tsai-Wu失效准则判断是否破坏作为限制条件.算例证明:铺层分级优化结果合理可信,承力效果较整体铺层优化结果更好.     

复合材料蜂窝夹层结构的优化设计

利用复合材料蒙皮结构的弯扭耦合效应可以改善翼面的气动弹性特性.为使这种结构的弯曲扭转耦合效应最大,采用遗传算法来优化设计这类结构,并以蜂窝结构为例进行分析.采用有限元计算软件分析目标函数,将铺层板、蜂窝夹芯的强度作为约束函数,并通过遗传算法优化与有限元计算有机的结合,开发了以有限元为基础的复杂问题的结构优化软件系统.