一种面向工程的气动弹性剪裁技术

以COMPASS为平台研究了蒙皮铺层主方向角对机翼气动弹性的影响,以及采用不同形式的多项式函数表示蒙皮厚度的方法,分析了设计变量的敏度计算方法,并运用优化的方法对两个复材机翼结构进行了位移、频率、发散和颤振速度约束下的剪裁设计,获得了结构响应与主方向角的变化曲线和机翼表面的厚度分布等高线.研究结果表明本方法拓宽了复材机翼的设计手段,具有广阔的应用前景.     

复合材料机翼气动弹性剪裁综合研究

研究了铺层厚度、铺层比例、铺层主方向角和厚度多项式对机翼气动弹性性能的影响，利用COMPASS分别对复合材料直机翼、三角翼和前掠翼3种机翼布局进行了位移、频率、发散和颤振速度约束下的气动弹性剪裁设计，获得了不同铺层参数下的优化设计结果。算例计算结果表明，采用多种设计形式能够充分挖掘复合材料使用的潜力，有效地改善机翼的气动弹性性能。     

基于MSC.Nastran的直机翼结构优化设计

利用有限元方法,对直机翼以重量最轻为目标,以强度和位移作为约束,以机翼蒙皮厚度、腹板厚度、缘条尺寸作为设计变量,进行了优化设计,并且分析了复合材料蒙皮替代金属材料蒙皮结构的结果。对比两种不同材料的有限元分析结果,发现复合材料层压板结构可以替代金属材料,而且减重效果明显。对机翼蒙皮进行分区优化,对复合材料铺层厚度进行优化设计,最后得到合理的优化结果。     

基于遗传算法的复合材料泡沫夹层板铺层优化设计

机翼中泡沫夹芯结构的使用可以有效降低结构元件的重量,因此对复合材料泡沫夹层板的优化设计研究显得十分重要。基于遗传算法设计可以同时进行铺层角度和铺层厚度的优化算法,在该优化算法中采用分区优化技术及浮点数编码对铺层角度和铺层厚度设计变量进行设计。使用上述优化方法对复合材料机翼盒段泡沫夹芯蒙皮进行铺层优化设计,优化后的翼盒重量比优化前降低了38．2％。优化结果表明对复合材料机翼盒段夹芯蒙皮的优化设计可以有效地降低重量,为泡沫夹芯结构的使用提供一定的参考。     

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     

大展弦比复合材料机翼气动剪裁和减重优化设计

针对大展弦比复合材料机翼各部位的受力和气动特点,将机翼进行分块。在满足结构强度和稳定性等约束条件的前提下,将机翼各块的铺层厚度和铺层顺序作为设计变量,机翼的质量和颤振速度作为目标函数,进行多目标、多约束条件下的优化设计。经过优化后,机翼质量下降21.62%,颤振速度提高12.97%,且满足所有约束条件。这表明,铺层厚度和铺层顺序对机翼的质量和颤振速度有较大的影响,整体设计时,应重点考虑。     

铺层对复合材料层合板力学性能影响的研究

为了研究不同铺层角和铺层厚度对复合材料层合板力学性能影响,通过转换复合材料刚度矩阵,得到复合材料层合板等效弹性常数,利用Matlab软件将计算复合材料层合板等效为计算等厚度各向异性板,研究不同铺层角对层合板力学性能影响;基于此等效方法,利用Fortran程序计算机翼剖面刚度,研究不同铺层厚度对层合板力学性能影响。结果表明:铺层角对复合材料层合板有较大影响,其中以45°铺层角作为最外层的层合板力学性能最佳,其次为90°和0°铺层角;随铺层厚度增加,机翼剖面的剪切刚度、弯曲刚度和扭转刚度几乎呈线性增大。研究成果为分析与设计飞机复合材料结构提供参考。     

轻型复合材料机翼铺层优化设计与分析

在给定全复合材料机翼结构几何外形尺寸条件下,以最高载荷/质量比(P/W)为目标,提出了一种复合材料机翼铺层优化设计与分析方法。主要进行了三方面优化工作:铺层厚度优化、铺层比例优化以及铺层顺序优化。首先,在初始结构方案的基础上,利用有限元分析软件ANSYS对复合材料层合板进行结构优化,得到了复合材料层合板铺层厚度与铺层比例。然后,插值拟合生成结构性能(即P/W)在设计区域的空间分布曲面,量化材料分布对结构性能的影响,得到了最佳材料分配比例,为分析复合材料铺层提供了新方法。最后,根据已经得到的铺层厚度和铺层比例方案,运用遗传算法对铺层顺序进行优化,得到最优铺层方案。根据最终优化的铺层设计方案,加工制造机翼样件并完成了试验验证。数值模拟结果与试验结果非常吻合,其中,破坏载荷的相对误差为-1.91%,结构刚度的相对误差为1.10%。与初始设计相比,载荷/质量比提高了70.23%(忽略翼梢小翼),证明本文优化工作的合理性与有效性。     

复材机翼气弹特性工程化设计分析技术

本文在静气弹的基本原理分析基础上,发展了机翼气弹特性工程化设计方法：基于参数化的机翼气动弹性模型,研究了复合材料机翼整体蒙皮重要设计参数对舵效、静变形和静强度的影响,采用变参分析方法进行了灵敏度分析,获取影响舵效的关键参数变化趋势,用以指导舵效气动弹性剪裁优化设计。对优化设计结果进行了工程化的处理并进行校核,获得了工程可用的蒙皮铺层设计方案,在改善舵效使其满足飞机性能要求的同时,还获得了满意的减重105 kg（总质量的14%）效益。     

大展弦比复合材料前掠翼气动弹性分析

对某大展弦比复合材料前掠翼的气动弹性特性随前掠角的变化进行研究，为总体设计选择合适的前掠角提供依据。分析时选取了五种前掠角情况进行了变形分析、模态分析、颤振分析、发散分析和静气弹响应分析。结果表明，随着前掠角的增加，机翼的发散速度逐渐降低，翼尖最大垂直位移、翼尖最大扭角和弹性升力线斜率与刚性升力线斜率的比值均逐渐增大。     

前/后掠机翼气动特性对比分析

基于NACA0012对称翼型设计了前掠机翼、后掠机翼和平直机翼,采用CFD方法计算了3种机翼的升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数,通过压力云图和流线图分析了3种机翼的气动特性及流动机理。研究结果表明:前掠机翼上表面的流动是由翼尖流向翼根,翼根首先出现分离,而后掠机翼上表面的流动是由翼根流向翼尖,翼尖首先出现分离,平直机翼由于受翼尖涡的下洗影响,翼根首先出现分离;在30°斜掠角下,前掠机翼形成了机翼前缘涡,表现出旋涡流态气动特性。研究结果揭示了不同机翼之间的流动差异,有助于在飞行器设计过程中选择合适的气动布局。     

考虑气动弹性变形影响的跨声速机翼设计方法研究

根据气动－结构一体化的设计思想,发展了一种考虑气动弹性变形影响的跨声速机翼ＣＦＤ设计方法。设计实践表明,采用适当的结构弹性模型,方法可以在计算机机翼静弹性变形影响的情况下设计出压力分布收敛于指定目标的新机翼,因此在跨声速机翼型架外形的设计和史 起初外形设计中具有良好的实用价值。     

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。     

考虑机翼几何非线性的气动弹性建模与分析

大展弦比柔性机翼结构重量轻、气动效率高,广泛应用于高空长航时无人机(UAVs)。飞行过程中,这类机翼在气动力作用下发生大变形,线性结构模型不再适用,需要建立考虑几何大变形的结构模型。采用牛顿力学方法推导了考虑结构几何非线性的机翼结构动力学模型,该方法推导过程简洁、物理意义明确,可以与Hodges基于哈密顿原理的推导方法相互补充,相互验证。为了能够更准确地求解大展弦比柔性机翼的非定常气动力,建立了能够考虑机翼三维效应且适用于机翼空间大变形的非定常气动力模型。基于建立的非线性结构模型和非定常气动力模型,采用松耦合方法建立了非线性气动弹性模型,并通过算例验证了气弹模型的准确性。研究结果表明,大展弦比柔性机翼颤振速度对来流迎角和机翼的展长均较为敏感;当来流速度大于颤振速度时,由于几何非线性,机翼振动并未发散而是形成稳定的极限环振荡(LCO);随着来流速度进一步增加,机翼再次穿过临界稳定点,由不稳定系统变为稳定系统,直到随着速度的增加系统再次达到临界稳定状态。     

Optimal thickness distributions of aeroelastic flapping shells

The severe weight limitations of flapping wing micro air vehicles necessitates the use of thin flexible wings, which in turn requires an aeroelastic modeling tool for proper numerical characterization. Furthermore, due to the unconventional nature of these vehicles, wing design guidelines for thrust and/or power considerations are not generally available; numerical design optimization then becomes a valuable tool. This work couples a nonlinear shell model to an unsteady vortex lattice solver, and then computes analytical design gradients: the derivative of aerodynamic force/power quantities with respect to a large vector of thickness variables. Gradient-based optimization is then used to locate the wing structure that maximizes the thrust, or minimizes the power under a thrust constraint, for a variety of shell boundary conditions. Changes in the topological features of the optimal wing thicknesses highlight important aeroelastic interactions that can be exploited for efficient flapping wings.     

Aerodynamic Interactions Between Contralateral Wings and Between Wings and Body of a Model Insect at Hovering and Small Speed Motions

In this paper, we study the aerodynamic interactions between the contralateral wings and between the body and wings of a model insect, when the insect is hovering and has various translational and rotational motions, using the method numerically solving the Navier-Stokes equations over moving overset grids. The aerodynamic interactional effects are identified by compar-ing the results of a complete model insect, the corresponding wing pair, single wing and body without the wings. Horizontal, vertical and lateral translations and roll, pitch and yaw rotations at small speeds are considered. The results indicate that for the motions considered, both the interaction between the contralateral wings and the interaction between the body and wings are weak. The changes in the forces and moments of a wing due to the contralateral wing interaction, of the wings due to the pres-ence of the body, and of the body due to the presence of the wings are generally less than 4.5%. Results show that aerodynamic forces of wings and body can be measured or computed separately in the analysis of flight stability and control of hovering in-sects.     

复合材料翼面结构气动弹性剪裁

 <正> 1.引言 本文采用了混合设计变量。对复材蒙皮,由于其连续性,我们用双三次多项式来描述各定向铺层的厚度,将多项式系数做为设计变量,对于其他部件如肋、腹板等,我们仍用其有限单元的截面积或厚度做为设计变量。整个结构采用有限元法做结构分析。固有振型采用高效率的谱变换Lanczos法计算,非定常气动力用亚音速偶极子格网法计算,用可行方向法求解优化问题。     

Transient aeroelastic responses and flutter analysis of a variable-span wing during the morphing process

To investigate the transient aeroelastic responses and flutter characteristics of a variablespan wing during the morphing process,a novel frst-order state-space aeroelastic model is proposed.The time-varying structural model of the morphing wing is established based on the Euler-Bernoulli beam theory with time-dependent boundary conditions.A nondimensionalization method is used to translate the time-dependent boundary conditions to be time-independent.The time-domain aerodynamic forces are calculated by the reduced-order unsteady vortex lattice method.The morphing parameters,i.e.,wing span length and morphing speed,are of particular interest for understanding the fundamental aeroelastic behavior of variable-span wings.A test case is proposed and numerical results indicate that the flutter characteristics are sensitive to both of the two morphing parameters.It could be noticed that the aeroelastic characteristics during the wing extracting process are more serious than those during the extending process at the same morphing speed by transient aeroelastic response analysis.In addition,a faster morphing process can get better aeroelastic performance while the mechanism comlexity will arise.     

前掠翼布局中鸭翼气动影响的数值模拟

 采用三维Navier-Stokes方程和剪切应力输运（SST）湍流模型,就鸭翼不同位置和形状对前掠翼鸭式布局气动性能的影响进行数值模拟,并针对风洞试验方法难于分部件研究机翼、鸭翼以及机身各自气动特性的缺点,对布局升阻特性按部件分解研究并分析流动机理。研究结果表明：前掠翼鸭式布局气动性能（特别是在大迎角情况下）与鸭翼位置及其形状紧密相关,高位近距后掠式鸭翼可以与机翼产生更为有利的相互干扰,与无鸭翼布局相比最大升力系数提高约28.3%,最大升阻比提高约15.4%,大大地提高了前掠翼布局的纵向气动性能。该研究结果可为先进前掠翼布局飞机的预研和发展提供一定的理论参考。