变弯度机翼参数化气动弹性建模与颤振特性分析

变体飞行器在变体过程中结构质量、刚度和阻尼特性会发生显著变化，导致其气动弹性效应十分复杂。如何高效、准确预测变体过程颤振边界是变体机翼结构动力学设计的难点问题之一。现有的非参数化气动弹性建模方法仅能针对单一变体构型进行颤振分析，对变构型的颤振需重复建模，效率低下且可能存在颤振边界丢失问题。针对后缘连续变弯度的变体机翼颤振分析问题，提出了一种参数化气动弹性建模新方法，并综合非定常气动力、流-固耦合插值和气动弹性建模，对变弯度机翼的参变颤振特性进行系统性分析。为验证该参数化建模方法在预测参变颤振特性的准确性，在变弯度机翼的参变模态特征、气动力计算和颤振预测等方面，进行了数值计算与对比研究。仿真结果表明，该方法可高效准确地预测全参数空间内变体机翼的参变颤振特性。     

基于Kalman滤波的变体飞行器T-S模糊控制

针对变体飞行器的跟踪控制问题,提出了一种基于Kalman滤波的T-S模糊控制方法。考虑飞行器系统状态不可测,引入惯导数据作为辅助信息,利用Kalman滤波算法融合飞控信息与惯导信息实现状态估计。由于变体飞行器在不同变形结构下气动特性变化较大,为便于控制器设计,采用小扰动线性化方法得到飞行器在不同平衡点处的局部线性模型,并通过状态反馈方法设计局部控制器,局部线性模型和局部控制器通过模糊集和模糊规则聚合成一个连续光滑的全局T-S模糊模型和T-S模糊控制器。通过综合Kalman滤波器与T-S模糊控制器得到一个基于Kalman滤波的T-S模糊控制器。仿真结果表明,该控制器在变形过程中能够实现状态估计,保证飞机的跟踪性能。     

翼尖铰接组合式无人机气动建模方法及布局参数影响

翼尖铰接组合式无人机是一类新概念飞行器,其由多个单体无人机以翼尖铰接形式连接而成并允许相对滚转运动,在布局参数及飞行力学特性上与常规飞行器有较大不同,单体无人机间存在气动耦合。首先基于状态空间形式涡格法给出了针对该类型飞行器的气动导数计算方法。然后,结合Newton-Euler方程建立的飞行力学模型进行配平计算及飞行力学稳定性分析,说明其具有以相对滚转运动主导的不稳定复合运动飞行模态特征。最后,开展布局参数对飞行动力学稳定性影响研究,经分析,减小单体无人机配平滚转角,增加后掠角可以改善飞行稳定性,同时机翼与尾翼距离存在改善飞行稳定性最优值。研究结果可为翼尖铰接组合式无人机设计提供指导和参考。     

折叠翼变体飞行器非定常气动特性实验研究

折叠翼变体飞行器是一种可以在飞行中改变自身气动外形的新型飞行器。研制出了一种折叠翼变体飞行器的风洞实验模型,在风洞实验中测得了模型不同变体位置下的气动力以及进行变体运动时气动力的动态变化过程,并通过PIV实验手段获得模型周围的流场在变体运动过程中的变化情况。结果表明：在机翼变形过程中,折叠翼模型有明显的非定常气动现象产生,而且折叠变形的速度越大,非定常现象越明显。出现非定常现象的主要原因是变体运动对机翼前缘涡的影响。     

基于蜻蜓翅几何及刚度相似性的仿生扑翼结构

目前对于扑翼和扑旋翼飞行器的研究主要致力于实现仿生拍动模式的机构设计和气动特性分析，对昆虫翅的研究主要在微观尺度的生物学构成以及材料和力学特性。采用主成分分析法可建立昆虫翅展向抗弯刚度与几何形态参数之间的关系。以仿蜻蜓翅的扑翼设计为例，根据蜻蜓翅脉的分布可设计具有几何相似性的扑翼模型，进而基于蜻蜓翅的展向抗弯刚度实验结果建立仿蜻蜓翅扑翼设计的刚度相似性准则，以刚度相似性为约束对扑翼进行结构优化，分别制作了仅具有蜻蜓翅刚度相似性的矩形扑翼（JX-翼）、仅具有蜻蜓翅几何相似性的扑翼（JH-翼）、基于蜻蜓翅几何相似性和刚度相似性的仿生扑翼（GD-翼），并采用扑旋翼模型分别对这3种扑翼在5～15 Hz的拍动频率范围内进行了升力测试实验。结果表明，基于几何相似性及刚度相似性设计的GD-翼在12.5 Hz拍动频率时产生的升力比仅基于刚度相似性的矩形JX-翼提高25%，在低于6.5 Hz时与仅基于几何相似性设计的JH-翼相近，但在高于8 Hz时比JH-翼的升力大2倍以上。基于蜻蜓翅的几何相似性和刚度相似性的扑翼结构设计方法为提高仿生扑翼和扑旋翼的气动升力和效率提供了新的路径。     

用于变体翼梢小翼的伸缩栅格研究

翼梢小翼能抑制翼尖涡流形成、降低机翼的诱导阻力,翼梢小翼的高度是对减阻效果影响较大的参数之一.传统翼梢小翼仅针对巡航状态设计,而在起降、爬升等非设计状态减阻效果不佳.变体翼梢小翼能根据飞行状态主动改变几何外形和尺寸,实时优化减阻效果.为了实现变形,设计了一种用于变体翼梢小翼的伸缩栅格,通过步进电机驱动,可使翼梢小翼的高...     

高速转子系统支承结构及力学特性设计方法

针对航空发动机高速转子系统支承结构及力学特性设计问题，开展支承结构约束特性（支点位置和支承刚度）对转子系统刚度及转子动力学特性的影响分析，建立转子支承结构约束特性与转子力学特性关联力学模型。通过对转子系统支承结构特征参数与刚度特性、振动特性等力学特性的关联性分析，定量描述了转子支承约束特征及轮盘惯性载荷对转子系统动力学特性的影响规律，在此基础上，提出了基于转子变形控制的支承约束特性与转子力学特性一体化设计方法。仿真计算结果表明:对于高速转子系统可以通过对支点位置及支承约束刚度的设计，调整转子弯曲变形和临界转速的分布特征，使其在通过或靠近弯曲振型临界转速的高转速工作状态下，具有足够的安全裕度。这种通过结构特征参数的变化，优化转子系统力学特性的方法，对航空发动机总体结构布局及动力学设计具有重要的工程参考价值。      

变体翼梢小翼的减阻机理数值模拟

总结了对翼梢小翼减阻效果影响最大的几何参数,在此基础上采用数值模拟方法研究了这些几何参数的最佳变化范围,为变体翼梢小翼设计提供理论依据.并从气动性能、气动载荷分布和翼尖涡的角度探讨了变体翼梢小翼相对传统翼梢小翼的优缺点.结果表明:在飞机的起飞阶段,变体翼梢小翼的减阻效率比传统翼梢小翼高2.2%,同时将翼尖涡强度降低了15%,有利于提高飞机的燃油效率和机场空域安全;但也会增大机翼的翼根弯矩,因此必须权衡变体翼梢小翼带来的气动收益与结构强度不利因素.     

零泊松比胞状结构的单胞面内等效模量分析及其影响因素

为了准确描述零泊松比胞状结构的力学性能,适应不同的变形方式需要。针对3种不同的单胞,基于梁弯曲理论推导出考虑弯曲变形和轴向变形的等效弹性模量,基于虚功原理推导出不同单胞的等效剪切模量;然后将推导出的结果与有限元分析结果进行比较,并研究了几何参数对等效弹性模量和等效剪切模量的影响;最后进行了实验验证。研究结果表明,获得的等效弹性模量和等效剪切模量是正确、合理的,适用于变体机翼的胞状结构;3种单胞具有相同的等效弹性模量,但等效剪切模量不同;单胞的几何参数对等效弹性模量和等效剪切模量的影响规律和程度不同。     

智能材料和结构在变体飞行器上的应用现状与前景展望

变体飞行器可以根据不同的飞行条件改变自身形状以获得最优的气动性能,大大提高飞行器的综合性能,是未来飞行器发展的重要方向之一。新型智能材料和结构具有驱动、变形、承载、传感等特点,为变体飞行器的设计提供了新的技术途径。本文根据不同可变形机翼结构分类,详细阐述了智能材料和结构在自适应结构、智能驱动器和变形蒙皮等方面的研究现状。变体飞行器的实现亟需解决变形/承载一体化蒙皮技术、轻质大输出力驱动器技术和自适应结构技术等关键技术,本文还对智能材料和结构未来在变体飞行器上的应用前景进行了展望。     

展开式变体垂直起降飞行器气动布局与控制策略设计及飞行验证

垂直起降飞行器具有固定翼飞行器飞行航程远、飞行速度快的性能优势,又同旋翼飞行器一样机动灵活,具有垂直起降的功能,近年来成为飞行器研究领域的研究热点之一。尤其是尾座式垂直起降飞行器由于其结构简单、重量利用率高等优点,受到了较多关注。本文提出了一种机翼可展开的尾座式变体垂直起降飞行器总体布局方案,为该布局设计了一种具有自锁功能的机翼变体驱动机构。利用风洞测力实验对飞行器固定翼巡航模态、四旋翼悬停模态及变体过渡过程的气动力进行研究,给出了飞行器在固定翼巡航模态下的配平能力与飞行性能,及前倾加速及变体过渡过程中的气动特性。并提出了一种升降副翼-旋翼协调航向增强控制策略,有效提升飞行器悬停模态的航向控制力矩。通过对飞行器变体转换过程的受力情况研究,为该构型飞行器设计了一种基于空速与俯仰姿态角的变体过渡控制策略。对该构型飞行器进行了飞行试验验证,结果表明飞行器在四旋翼悬停和固定翼巡航模态下表现出良好的操纵性和抗风能力,成功实现了平稳的无高度损失模态转换,验证了控制策略的有效性。     

智能材料和结构在变体飞行器上的应用现状与前景展望简

 变体飞行器可以根据不同的飞行条件改变自身形状以获得最优的气动性能,大大提高飞行器的综合性能,是未来飞行器发展的重要方向之一。新型智能材料和结构具有驱动、变形、承载、传感等特点,为变体飞行器的设计提供了新的技术途径。本文根据不同可变形机翼结构分类,详细阐述了智能材料和结构在自适应结构、智能驱动器和变形蒙皮等方面的研究现状。变体飞行器的实现亟需解决变形/承载一体化蒙皮技术、轻质大输出力驱动器技术和自适应结构技术等关键技术,本文还对智能材料和结构未来在变体飞行器上的应用前景进行了展望。     

变体飞行器结构振动特性研究

作为变体飞行器方案之一的折叠翼能使机翼面积发生200%的改变,在飞行中机翼面积发生如此大的变化,会使飞行器的动力学特性复杂化.所以对机翼动力学特性有个清晰的了解是很必要的.在本文中,首先用MSC/PATRAN建立了折叠翼的有限元模型,然后用NASTRAN求解出折叠翼在各折叠角下的主要振动模态.在此基础上对各折叠角下铰链刚度对动力学特性的影响进行了研究.我们发现这种结构上的革新使得机翼动力学特性与固定翼飞机有很大不同.尤其是铰链的存在造成了刚度分布的变化,这使得机翼扭转的动力特性发生了很大变化.     

考虑不确定性的复合材料加筋壁板后屈曲分析模型验证方法

复合材料加筋壁板在结构轻量化设计中，由于材料组分、几何尺寸具有不确定性，导致了壁板结构在服役条件下承载特性的不确定性。针对上述问题，提出了一种考虑参数不确定性的复合材料加筋壁板后屈曲模型验证方法。首先基于正交试验设计方法进行了不确定性参数的显著性分析，然后采用Kriging模型构建了能够表征后屈曲特性的代理模型，利用蒙特卡洛随机模拟获得加筋壁板后屈曲载荷概率分布，最后通过壁板结构在典型承载条件下的力学实验数据验证了分析模型的准确性。该分析方法对于壁板件在实际工程中的应用具有一定指导意义。     

栅格翼大缩比模型超声速风洞试验方法研究

栅格翼大缩比模型在进行超声速风洞试验时,由于缩比模型的格栅厚度较小、格栅间距较小等问题使得模型加工困难,同时模型结构强度难以满足超声速风洞试验要求,风洞试验中无法真实模拟栅格翼模型的气动特性和飞行器的静稳定特性。针对该问题,基于超声速线化理论对栅格翼提出等效模拟方法。等效模拟方法是设计栅格翼的等效模型,该等效模型与原栅格翼模型气动特性相同。等效模拟方法处理方式为在保持栅格翼外轮廓尺寸及栅格四边之间几何角度不变情况下,按比例系数k减少栅格数,栅格间距增加k倍;保证栅格翼的格宽比不变,将栅格翼弦长增加k倍;保证栅格翼的相对厚度不变,栅格翼筋板厚度增加k倍;等效模型和实际模型纵向压心位置需保持不变。以等效模型和实际模型进行了超声速风洞对比试验,试验结果表明:等效模型和实际模型升力一致,阻力大致相同;飞行器等效模型的静稳定特性和实际模型的静稳定特性相同;栅格翼阻力对飞行器质心所产生的俯仰力矩较升力对飞行器质心所产生的俯仰力矩是小量,栅格翼等效模型在阻力上的微小差异对飞行器的静稳定性影响不大。等效模拟方法可以较好地模拟栅格翼的气动特性和飞行器的静稳定特性,同时解决了大比例缩比所遇到的加工问题和结构强度问题。     

变体飞行器控制系统综述

介绍了变体飞行器控制系统和涉及的控制理论问题。分析了变体飞行器的控制系统,指出变体飞行器的控制系统由变形控制层和飞行控制层组成。对变体飞行器的硬件结构和变体飞行器控制方法的研究现状进行了阐述。分析了集中式和分布式两种变形机械结构以及控制系统体系结构,提出采用总线网络连接变形结构的分布式元件。总结了变体飞行器需深入研究的变形控制和飞行控制问题,包括大尺度变体飞行器的飞行控制问题,通信受约束的大数目的驱动器的协调控制问题。     

基于热/力试验的折叠舵连接刚度与颤振分析

为了适装新型发射平台和进一步提高射程能力,高速飞行器需要采用折叠翼/舵的方案。高速飞行器面临的严酷高温环境和时变气动载荷条件,使折叠舵的结构动力学特性更加复杂,给开展折叠舵极端条件下热气动弹性特性的准确分析带来严峻挑战。本文构建了综合考虑温度、载荷、机构间隙和摩擦特性等因素的折叠机构力学模型,通过非线性有限元分析获得了不同因素影响下的连接刚度,并开展常温和高温试验验证研究。基于固有模态对结构进行降维简化,基于修正的三阶活塞理论建立了气动力模型,采用准定常模型对特定飞行剖面的颤振特性进行评估。基于Abaqus结构模型和STAR-CCM+气动模型,开展了时域响应分析。结果表明：常温和高温条件下,折叠机构转动刚度的计算结果与试验结果整体相对误差小于10%,具有较好的一致性,验证了模型的准确性和可用性;采用CFD与CSD耦合计算方法获得的临界颤振速度低于采用修正的三阶活塞理论结果,CFD/CSD耦合计算方法更加保守。本文建立的方法可为飞行器舵面颤振特性进行有效预示,对新型高速飞行器设计具有重要指导作用。     

微型飞行器相关布局气动特性实验研究

微型飞行器由于飞行雷诺数比较低,其流动现象和机理比较复杂,对其进行相关的实验研究是尤其的必要且可行。本次试验通过由带有一定厚度和弯度的翼型构成的矩形机翼和反齐默曼机翼的对比实验、不同弯度的对比试验、不同参数的鸭翼实验以及翼尖小翼实验,重点分析了平面布局、弯度、鸭翼以及翼尖小翼对气动特性的影响。试验结果表明:在带有一定厚度和弯度的情况下反齐默曼气动性能好于矩形翼;适当的弯度能提高飞行器升力特性和纵向稳定性;鸭翼能有效地提高微型飞行器的气动特性;翼尖小翼能改善飞行器的升阻特性。     

折叠翼变体飞机的传动机构设计和驱动方式优化分析

变体飞机能够在飞行过程中显著地改变外形和尺寸,从而使单一的飞行器能够实现在起飞、俯冲、巡航等多种飞行状态下都具备优良的飞行性能.折叠翼变体飞机的折叠传动机构对折叠翼的结构动力学和传力特性具有显著的影响.本文设计了一种轴/轴套式的折叠传动机构,利用ANSYS有限元软件建立了有限元网格模型,采用DYNA求解器,详细求解分析...     

基于细观刚度模型的缠绕复合材料结构有限元分析方法

 缠绕复合材料结构分析是缠绕复合材料力学性能研究及应用的重要基础。发展了一种缠绕复合材料结构分析有限元方法,该方法基于缠绕复合材料细观刚度模型,通过建立细观刚度场与整体结构的映射关系,将缠绕复合材料细观刚度模型引入缠绕复合材料结构有限元分析中。采用各向异性单元,几何模型与网格划分等过程不需要进行复杂的处理,单元材料属性采用细观刚度模型计算,并通过已建立的细观刚度场和整体结构的映射关系输入。建立了缠绕复合材料结构有限元分析的流程,采用MATLAB程序编写了细观刚度场计算程序,采用ANSYS提供的APDL语言开发了几何建模、分网、读入刚度矩阵等相应分析程序,最后进行了算例分析。算例结果表明,缠绕复合材料内部各层应力应变呈周期性分布,应力应变在纤维交叉和波动区域有所变化,纤维波动对局部应力具有放大作用;纤维走向的交替造成内部剪切应力的正负交替;纤维弯曲引起的局部刚度下降造成局部的应变较大。与传统的经典层合板理论或有限元方法相比,在缠绕复合材料有限元分析中,采用基于傅里叶级数的细观刚度模型,可以反映材料内部细观结构对应力应变分布的影响;同时,方法简单,便于程序实现。