机翼变弯度技术研究进展

通过改变机体结构气动外形，确保飞行器在不同飞行状态下持续获得最优气动效益，一直是航空领域的研究热点，而机翼变弯度(VCW)技术是其中一个重要研究方向。首先，分析总结了机翼变弯度技术所带来的综合收益，详细阐述了不同飞行器对机翼变弯度技术的具体需求；然后，分别从变弯度前缘和后缘回顾了过去数十年的发展历程，分析了当前面临的主要技术难点；最后，预测了未来发展趋势，并对机翼变弯度技术的未来研究方向提出了建议。     

柔性变弯度后缘机翼的风洞试验模型优化设计

本文通过优化的方式设计了一种具有较高变形精度的适用于变体飞行器的柔性后缘变弯度装置。该装置通过结构的弹性变形传递力和运动，包括驱动器、一体成型的蒙皮与梁结构组成。在给定的结构拓扑形状下，为了寻找到最优的驱动、结构参数，本文系统化地提出了柔性变弯度后缘的设计框架。该设计框架包括了变弯度机翼外形参数化方法、变弯度气动外形的优化设计方法和结构参数优化方法，求解结构变形时考虑了几何非线性大变形，采用最小平方误差和考虑空间顺序的Fréchet距离来衡量后缘真实变形与目标变形之间的相似性。对比研究表明，最小误差距离不能捕捉到局部的噪声，而Fréchet距离可以很好地控制最大的变形误差，所需迭代次数较少，并能获得整体变形精度较高的结果。数值仿真验证了所提出的优化方法的有效性。本文对多种具有不同拓扑的初始结构进行参数优化，最大能提高91%变形精度。最后，利用增材制造技术实现了柔性变弯度后缘翼段，该部件具备下偏22.5°,上偏7.5°的变形能力。     

变形翼面内变形的研究现状及关键技术

变形机翼作为未来飞机设计的重要发展方向之一，其机翼面内变形的研究已得到广泛的关注。本文分别从变展长、变掠角、变弦长、组合变形四个方面进行分析，阐述面内变形机翼的国内外研究现状，归纳总结变形机理及优缺点，分析其发展趋势。针对该领域的研究现状以及变形机翼的应用要求，提出变形机翼亟待解决的关键技术，包括变形蒙皮技术、变形机构、智能驱动器、传感器及控制网络，阐述各关键技术的应用要求，分析其现存问题，并对未来发展方向进行归纳；以期为面内变形机翼的设计和应用实现提供部分参考。     

变弯度机翼后缘偏心梁设计与验证

针对基板弯曲变形的变弯度柔性机翼后缘结构难以精确变形、承载差的问题，提出了一种多变形控制点偏心梁驱动结构，设计了偏心梁与柔性后缘结构连接。根据变形目标要求，通过ABAQUS二次开发的参数化非线性简化模型程序、粒子群算法程序对驱动变形控制点数量及位置进行了优化分析；通过载荷分析计算了偏心梁的变形控制点补偿位移。搭建了非接触测试系统测试了结构的变形。测试结果表明：结构偏转角度达到15°,变形后轮廓与变形目标吻合较好，翼尖处的最大误差在2 mm以内，结构驱动方案及优化方法可行。     

一种新的柔性蜂窝结构及其在变体飞机中的应用

变体色机要求机翼结构可以光滑连续地变形.机翼的蒙皮要有足够大的面内伸缩变形能力,同时还要有足够的面外承载能力.本文针对后缘变弯度机翼,设计出一种新的柔性蜂窝结构.研究了该柔性蜂窝的面内变形能力和形状参数的关系.仿真分析和试验验证表明,该柔性蜂窝结构具有足够的面内变形能力,变形后仍保持良好的面外承载能力,满足后缘变弯度机...     

一种柔性蒙皮设计技术及其在后缘变弯度机翼结构中的应用

变体飞机可在飞行包线内的不同飞行状态下获得最优气动效能,增强执行多种任务目标的能力,实现变体飞机结构的关键技术之一是柔性蒙皮的设计。本文介绍一种基于可变形蜂窝的柔性蒙皮结构,并研究了这种柔性蒙皮在后缘变弯度机翼结构上的应用,通过仿真分析和全尺寸原理样件地面试验验证,该结构满足真实飞行载荷条件下对变形能力和承载能力的要求。     

可变弯度机翼后缘形态重构光纤监测技术

可变弯度机翼是一种变翼型变体飞行器，在飞行过程中可根据不同的飞行环境自适应调整机翼弯度来提高飞行效率，从而适应复杂多样的任务环境。针对可变弯度机翼后缘形态与偏转角度实时监测需求，研究了一种基于光纤布拉格光栅传感器的机翼后缘形态重构方法。采用数值仿真方法分析可变弯度机翼后缘的形态变化特征，得到可变弯度机翼后缘偏转位移与偏转角度之间关系。给出光纤布拉格光栅传感器布局形式，构建了基于应变和曲率信息递推位移重构原理的机翼后缘形态和偏转角度监测系统。基于光纤布拉格光栅传感器的机翼后缘形态重构相对误差约为6.39%，偏转角度辨识相对误差约为7.47%。研究结果表明，所提方法能够为可变弯度机翼后缘形态感知、姿态自适应调整以及气动外形优化提供技术支撑。     

宽体客机巡航机翼变弯度减阻技术

针对宽体客机可变弯度机翼,建立了适用于原理性研究的参数化模型,验证了方法的可行性。以CRM机翼为研究对象,开展了前后缘变弯度对气动力、压力分布和展向升力载荷分布的影响分析,研究了巡航速度多个升力状态下的最优变弯度,并对比了单独变后缘弯度和前后缘同时变弯度的差异。研究结果表明:宽体客机机翼前后缘小角度偏转可使气动特性产生较明显变化,其中后缘变弯度的影响更为显著;定升力状态下通过变弯度可改变机翼展向当地攻角及弯度分布,从而减小激波阻力或诱导阻力;在小升力系数时变弯度获得的减阻量不超过0.0001,而较大升力系数时可达0.0010,并同时降低翼根弯矩、改善激波诱导分离;相比于单独变后缘弯度,前后缘同时偏转可在进一步抑制抖振边界附近低头力矩增长的同时获得更大的减阻量。研究过程充分体现了建模方法在避免引入型面质量干扰、提高三维外形及网格生成效率上的优势,得到的原理性结论可为可变弯度机翼技术的工程应用提供参考。     

变弯度后缘与常规舵面机翼的颤振主动抑制对比

后缘变弯度机翼的气动弹性建模与稳定性分析日益受到关注。为了探究变弯度后缘相比常规偏转舵面机翼颤振主动抑制的方法与特点，以一个小展弦比后缘变弯度机翼为对象，首先建立结构有限元模型，并引入变弯度后缘变形模态和常规舵面偏转模态，采用亚声速偶极子格网法计算非定常气动力；然后使用基于最小状态法的有理函数拟合进行频域到时域模型的转换，建立两种构型机翼的气动弹性模型，并在建模时考虑了变弯度后缘与常规舵面控制带宽的差异；最后利用线性高斯二次型方法设计控制律进行颤振主动抑制，分析对比两种控制方式的特性差异。结果表明：采用变弯度后缘的闭环系统能够将颤振临界速度提高22%，其提升效果优于常规舵面，所需舵面偏转峰值更小。     

零泊松比十字形混合蜂窝设计分析及其在柔性蒙皮中的应用

柔性机翼变弯度/展/弦长方案需要蒙皮在面内具有一维大变形能力,并且在垂直平面方向能够提供足够的抗压和抗弯刚度。设计了一种零泊松比十字形混合蜂窝,支撑弹性胶膜构成柔性蒙皮结构。研究了十字形混合蜂窝的面内变形机理、蜂窝力学特性与单元形状参数的关系,针对蜂窝的面内单向变形能力进行了参数优化;将蜂窝结构等效为正交各向异性材料,研究了十字形混合蜂窝的面外抗弯能力及其影响因素;根据后缘变弯度机翼柔性蒙皮设计要求,研究了十字形混合蜂窝结构参数的适用性。结果表明这种蜂窝能够满足柔性蒙皮的使用要求,且质量轻、易驱动。     

基于参数化分析的柔性后缘优化设计

介绍了一种自适应柔性机翼后缘变形控制优化设计方法,该方法采用了由单个驱动器驱动的单块式分布柔性结构。该方法的关键在于设计一种合适的柔性后缘结构拓扑形式,使该自适应柔性机翼后缘能够达到精确的变形。阐明了柔性结构拓扑优化设计的数学模型,针对自适应柔性机翼后缘概念设计提出了基于参数化分析的拓扑优化设计方案,并进行了工程化圆整和尺寸优化。最终,通过非线性有限元分析和功能测试,验证了本文提出的柔性后缘优化设计方法的合理性。     

基于遗传算法的柔性机构形状变化综合优化研究

 实现机翼在不同的飞行状态下的最优气动外形是变弯度自适应机翼的一项关键技术。针对传统铰链机构会使机翼表面产生不连续变化而导致气流提早分离的问题，从全柔性机构实现连续平滑的形状变化的技术出发，以目标形状与实际形状的边界曲线之差最小为优化目标，采用遗传算法(GA)对柔性机构的拓扑、尺寸、形状进行了综合优化。在优化方法上，以二进制编码技术和实数编码技术为基础建立初始离散柔性机构的混合变量遗传算法模型，将其映射为有限元模型并进行了结构分析。在优化过程中引入了渐进结构优化(ESO)算法的思想，消除GA优化过程中产生的自由单元，改善了优化效率和分析结果。结合机翼前缘形状变化实例，基于MATLAB进行优化设计，并用ANSYS10.0对优化结果进行了机构的仿真分析。分析结果表明，所提出的方法合理、有效。     

Topology optimization of compliant adaptive wing leading edge with composite materials

An approach for designing the compliant adaptive wing leading edge with composite material is proposed based on the topology optimization. Firstly, an equivalent constitutive relationship of laminated glass fiber reinforced epoxy composite plates has been built based on the symmetric laminated plate theory. Then, an optimization objective function of compliant adaptive wing leading edge was used to minimize the least square error（LSE） between deformed curve and desired aerodynamics shape. After that, the topology structures of wing leading edge of different glass fiber ply-orientations were obtained by using the solid isotropic material with penalization（SIMP） model and sensitivity filtering technique. The desired aerodynamics shape of compliant adaptive wing leading edge was obtained based on the proposed approach. The topology structures of wing leading edge depend on the glass fiber ply-orientation. Finally, the corresponding morphing experiment of compliant wing leading edge with composite materials was implemented, which verified the morphing capability of topology structure and illustrated the feasibility for designing compliant wing leading edge. The present paper lays the basis of ply-orientation optimization for compliant adaptive wing leading edge in unmanned aerial vehicle（UAV） field.     

基于柔性翼肋的变形机翼几何参数设计

为了实现柔性翼肋在机翼结构中的应用,试验分析了柔性翼肋结构的变形效能.推断分析了机翼几何参数(翼面积、展弦比、尖稍比、后掠角)对机翼升阻特性的影响,结合柔性翼肋在机翼中的应用,优化了机翼参数和相应的后缘柔性变形量.实验证明柔性机翼结构的可行性,性能评估证明柔性机翼具有一定的优势.     

实现机翼前缘形状连续变化柔性机构的拓扑优化

 为了实现自适应机翼表面的连续准确变化和结构轻量化，将分布式柔性机构引入到机翼形状变化结构设计中。基于SIMP密度 刚度插值模型，以实际位移与目标位移之间的偏差最小为目标，建立了实现机翼前缘形状连续变化柔性机构的拓扑优化模型，采用Matlab编程对柔性机构进行了优化设计,并对不同参数变化的影响进行了讨论,最后使用Ansys9.0对其中一个优化结果进行了机构的仿真分析。研究结果表明：该机构可实现机翼前端0~8.14°的变化；不同的体积分数、驱动位置、权重因子将对优化结果产生不同程度的影响，从而证明了用分布式柔性机构实现机翼前缘连续形变的可行性和设计方法的有效性。     

柔性后缘自适应机翼的概念设计

对H.P.Monner提出的 “可转动翼肋”自适应机翼概念进行运动学研究,推导了驱动位移量和偏转变形量之间的对应关系。这种可变形翼肋可简化为由平面连杆机构组合而成的单自由度系统,能使机翼后缘柔性偏转的同时保持翼面光滑连续。提出了基于曲线逼近原理根据后缘中弧线偏转轨迹优化转轴点布局的翼肋机构设计方法。对悬臂梁型、圆弧型和反悬臂梁型3种偏转距离相等但偏转轨迹不同的柔性后缘进行了方案设计和分析,从翼肋机构的实现、承载能力以及气动特性3方面进行了建模计算和比较研究。结果表明,圆弧型是3种柔性后缘中最佳的设计方案;柔性后缘自适应机翼的设计分析方法是切实可行的,可根据实际需要设计出满足任意后缘偏转要求的自适应机翼。     

自适应机翼技术的分类和实现途径

自适应机翼技术研究可分为通过机翼结构较小尺度变形的流动控制设计和较大尺度改变机翼几何构型的自适应结构设计两个范畴。改变机翼构型的自适应结构又包括可变前后缘结构、扭转机翼盒段结构、可变展弦比机翼结构这三种实现方式。根据目前自适应机翼技术的研究现状,归纳出了实现机翼自适应功能的两种途径,其中,采用智能材料结构进行驱动控制的研究代表了自适应机翼技术的发展趋势,而基于传统材料结构的自适应机翼技术则在现阶段更具有工程应用价值。     

实现柔性机翼后缘形状变化的综合优化(英文)

Adaptive wings have long used smooth morphing technique of compliant leading and trailing edge to improve their aerodynamic characteristics. This paper introduces a systematic approach to design compliant structures to carry out required shape changes under distributed pressure loads. In order to minimize the deviation of the deformed shape from the target shape, this method uses MATLAB and ANSYS to optimize the distributed compliant mechanisms by way of the ground approach and genetic algorithm （GA） to remove the elements possessive of very low stresses. In the optimization process, many factors should be considered such as airloads, input displacements, and geometric nonlinearities. Direct search method is used to locally optimize the dimension and input displacement after the GA optimization. The resultant structure could make its shape change from 0 to 9.3 degrees. The experimental data of the model confirms the feasibility of this approach.     

鸭翼双三角翼流态及气动力特性研究

本文给出了鸭翼对双三角翼气动特性及涡的发展和破裂过程的影响，进而分析了鸭翼位置、平面形状对全机气动特性影响的机理，并提出了合理的鸭翼双三角翼布局形式。     

基于智能材料与结构的自适应机翼技术在无人战斗机(UCAV)上的应用前景展望

简要介绍了自适应机翼的概述和智能材料与结构的功能特点。针对无人战斗机(UCAV)的设计思想和技术需要,详细阐述了基于智能材料与结构的自适应机翼技术在无人战斗机(UCAV)上的应用形式及其功能特点,从而展望了该技术的应用前景。