基于气动(气动噪声)/结构耦合仿真研究

声振综合力学环境是航空航天飞行器的重要环境之一。航天飞机或运载火箭、飞船在起飞段产生强噪声环境,这种强噪声会激发局部结构振动,损伤飞行硬件,所以飞行器强噪声环境和随机结构振动预示受到了各航空航天大国的重视。综述了国内外综合力学环境研究现状,提出了气动(气动噪声)/结构耦合思想,即基于物理声学、结构动力学以及空气动力学的三场耦合,对飞行器综合力学环境进行预示。分析了气动(气动噪声)/结构耦合综合力学环境仿真的关键技术,提出的仿真基本思路是在已有气动弹性研究的基础上引入噪声载荷,建立三场耦合平台。以舱段为研究对象,进行了气动/结构/声学(CFD/CSD/CAA)耦合建模及仿真,获得舱段时域结构响应,验证了方法的可行性。研究目的是拟开发空间飞行器结构/热/气动/气动噪声多力学耦合分析的仿真环境分析软件。为研究用于高超声速飞行器复杂力学环境预示积累理论基础。     

基于无限元方法的直升机外部噪声仿真分析

为了准确地模拟直升机飞行中的外部噪声,建立了耦合计算流体力学/计算气动声学(Computational fluid dynamics/Computational aeroacoustics,CFD/CAA)的直升机机外噪声预测方法。气动计算采用CFD方法模拟旋翼、尾桨气动力以及气动干扰;噪声计算采用声学无限元方法,考虑固体边界的声散射效应和大气传播中的声衰减特性。以AC311A直升机为例,开展适航规范要求下的飞越噪声计算和分析。飞行试验结果对比分析验证了本文方法能够有效地用于直升机机外噪声的评估与分析。最后进行了误差分析,为直升机外部噪声评估算法和仿真模型的优化提供参考。     

基于特征正交分解的壁板热颤振分析

当马赫数较高时,气动加热产生的面内热应力,使得壁板的抗弯刚度减弱,导致壁板出现复杂的动力学响应,对疲劳破坏预测意义重大。本文将基于特征正交分解法(POD)建立降阶模型(ROM)用于超音速气流中受热壁板的非线性颤振分析。考虑均匀受热的简支板,采用von Karman大变形理论,一阶活塞理论及准定常热应力理论建立壁板的热气动弹性方程。基于Galerkin混沌响应解作为快照数据提取最优POD模态,建立POD降阶模型。分别采用时程图,相平面图,庞加莱映射,分岔图及最大李亚普诺夫指数(LLE)判断混沌等复杂响应。结果表明,POD方法以更少的模态,更短的计算耗时得到与Galerkin方法吻合较好的稳定性边界及复杂响应解。另外,发现壁板颤振系统存在长时间的瞬态混沌现象,而POD方法比Galerkin方法能够更快地收敛到稳态的周期运动。     

温度载荷对壁板动力学特性的影响

提出了一种新的结构热应力、热模态求解方法。采用多变量有限元方法进行几何非线性单元列式,将温度的影响转化成热载荷进行静力学非线性有限元分析得到结构内部热应力,然后计算受热应力影响的结构非线性热刚度矩阵。由热刚度矩阵和质量矩阵进行广义特征值分析得到结构的热模态及其模态频率。最后,给出了热屈曲的计算方法。针对典型壁板结构计算了热应力和热模态,计算结果与Nastran相差在10%以内,分析了热应力对壁板结构动力学特性的影响。     

旋翼/机身气动干扰的神经网络模型

依据直升机空气动力学理论建立起来的旋翼／机身气动干扰模型，至今尚不能达到满意的准确度，而且它的计算工作量相当大。文中采用多层前向通道神经网络建立旋翼／机身气动干扰模型，探索一种新的建模方法。在试验结果的基础上，对机身的空气动力随前进比和桨盘载荷变化情况进行了分析，然后提出了一个二输入／三输出的旋翼／机身气动干扰神经网络模型。网络训练样本直接来源于试验数据。训练好的干扰模型清楚地反映了机身阻力与前进     

半柔壁喷管机构动力学仿真技术研究

基于刚柔耦合动力学仿真软件ADAMS,设计了半柔壁喷管的机构动力学仿真流程.在此基础上,针对柔性壁板的大挠度变形以及螺钉联接接触等非线性问题,综合分段线性化、等效刚度等处理方法,建立了半柔壁喷管机构动力学仿真模型.经与NASTRAN软件非线性有限元计算以及柔壁力学试验等结果比较,表明该半柔壁喷管机构动力学仿真模型具有较高的合理性和正确性.最后,检查了柔壁型面与气动型面之间的吻合度,并且分析了推杆驱动位移对试验段静压的影响关系.     

用推力矢量控制技术改进超声速飞行器空气动力特性

为了提高某超声速飞机的空气动力学效率和机动性能，本文采用低阶的三维板块法和DATCOM半经验公式，在亚声速和超声速条件下，对不同马赫数和迎角情况计算了基本气动外形的飞机空气动力学特性、表面压力分布以及最大升力。此外还开发了一套软件以实现由引进的先进气动操纵面（如鸭翼等）控制的二维推力矢量技术。试验结果表明：气动操纵面结合推力矢量技术能够产生足够的低头力矩，且有能力满足高度机动飞行时的稳定性要求。此外，不论是亚声速还是超声速飞行，气动操纵面均可以提高气动效率5％-6％。     

航天飞机驮机空气动力学——航天飞机的空气动力学问题之七

根据美国航天飞机驮机空气动力学的研究结果,本文简要地介绍了轨道器/驮机空气动力学的高阶面元法理论计算,风洞模型试验,仿真和飞行试验。风洞模型试验是建立轨道器/驮机气动数据库的基础,仿真是确定分离程序和训练驾驶员的有效方法,飞行试验是轨道器/驮机的驮运、分离和进场着陆气动性能的最后验证。研究试验表明:飞行试验与风洞试验和仿真结果符合得较好。合理地改装现有大型运输机,可以较好地完成航天飞机轨道器的驮运和进场着陆试验任务。     

复合材料开口加筋壁板承载性能分析

为研究复合材料开口加筋壁板承载能力和失效模式,设计实施了壁板压缩试验,并基于复合材料层合板剪切理论和金属塑性硬化理论建立了复合材料开口加筋壁板有限元模型,研究了边界条件对壁板承载能力的影响,提出在加载边施加简支及铰弹簧约束,较好地模拟了壁板压缩失效过程。通过对比发现,压缩试验与仿真计算的失效模式均为壁板中部弯曲,对于开口附近位移结果光测试验和仿真计算误差小于6.3%。采用二维Hashin准则和最大应力准则分别评估了各铺层纤维损伤趋势和桁条塑性特征,并结合承力构件损伤程度分析了开口加筋壁板的压缩破坏机制。     

封闭空腔声学特性研究

研究封闭空腔结构在声激励下出现的流固耦合问题,难点和关键点是弄清封闭空腔的声学特性。建立封闭空腔的有限元模型,根据空气的物理特性和空气中的音速,计算得到封闭空腔的声学固有频率;试验采用点声源装置、随机信号激励,采集时域数据进行功率谱分析,由频谱图得到共振频率,即封闭空腔的声学固有频率。比较并分析试验值与计算值,二者相吻合,对于轴向声学频率,有限元计算相对准确。     

空天飞机超燃冲压发动机燃烧室的气动设计

本文首先说明了单级入轨的空天飞机采用超声速燃烧冲压发动机的必要性。采用一维气体流动的关系式分析了超燃冲压发动机燃烧室的性能和气动设计,然后介绍了NASA Langley 研究中心关于超燃冲压发动机燃烧室气动设计研究工作的主要结果,重点介绍了混合、点火和冷却等问题。最后,讨论了超燃冲压发动机燃烧室气动热力学的地面试验技术与计算流体力学方法。根据试验结果与计算结果,分析了典型超燃冲压发动机燃烧室的性能。     

双三角翼压力测量实验研究

为了加大某型机航程、升限、延长留空时间,在原型机上采用双三角翼改进气动特性,以期提高该机性能,满足使用需求.在中国空气动力研究与发展中心高速所FL-24风洞,对某型机模型进行了压力测量实验研究,主要测量了机翼在不同M数,不同迎角下的压力分布,着重分析了模型在不同试验状态下机翼内、外翼流动及压力分布特性.实验结果表明:在亚、跨声速流动中,内翼压力系数Cp随迎角α呈非线性变化,外翼压力系数Cp随迎角α呈线性变化,在超声速流中,内、外翼压力系数Cp随迎角α呈线性变化,具有线性和非线性气动特性相结合的特点.在大迎角α时,内翼压力系数Cp值大于外翼相同迎角α下的压力系数Cp值,内翼占主导地位,小迎角α时,外翼压力系数Cp值大于内翼相同迎角α下的压力系数Cp值,外翼占主导地位,尤其在跨声速流中更为突出,兼顾了大小迎角之间的矛盾.超声速时,内、外翼压力系数Cp随迎角α变化规律优于亚、跨声速,兼顾了亚、跨、超声速气动特性.综合利用内、外翼特点,是改进某型机气动特性的一种行之有效的措施.     

改进的CFD/CSD耦合系统设计方法及其计算

论述了界面上的数据交换方法和时间推进格式在流体动力学（CFD）和结构动力学（CSD）耦合求解非线性气动弹性问题中的关键作用;改进了CFD／CSD耦合系统．包括基于边界元方法设计了CFD和CSD耦合界面的数据转换方法,该方法可在同一映射矩阵处理结构响应和非定常气动载荷转换,保证了耦合边界上的能量守恒;改进了一种松耦合方法流程,在保持模块化基础上提高了计算精度和效率。最后将本文方法应用于二维位移外插算例和A—GARD445．6机翼的动响应分析中,结果表明本文方法具有较高精度。     

高速风洞支架干扰数值修正研究

提出了一种计算高速风洞支架系统对飞行器模型纵向气动力干扰量的数值计算方法 ,从跨声速全位势积分方程出发 ,编制了适用于飞行器全机模型及其带支架情况下的跨声速绕流计算程序。通过对双垂尾模型和GBM 0 3模型两个算例的计算 ,讨论了尾支撑位置及其几何外形参数对模型气动力的影响 ,并对GBM 0 3模型带短支杆情况下的纵向实验结果进行了修正。表明该方法对于分析研究风洞模型支架干扰问题并进行支架干扰修正是可行的、有效的 ,可以作为选择尾支撑位置及其几何外形参数和对跨声速风洞纵向实验结果进行支架干扰修正的工具。     

采用综合气弹分析方法的旋翼非定常气动载荷计算

提出一种桨叶结构、气动和惯性耦合的旋翼系统综合分析方法，将桨叶绕挥舞、摆振及变距铰的刚性转角作为广义坐标，计入了桨叶整体运动和自身中等弹性变形之间的动力学耦合效应，桨叶弹性变量通过有限元法进行离散，翼型剖面气动力采用Leishman—Beddoes二维非定常和动态失速模型，由自由尾迹模型得出桨盘的非均匀入流，依据柔性多体系统动力学方法推早出桨叶前飞状态下的非线性周期时变动力学方程。对Newmark隐式数值积分方法进行改进，用于求解旋翼桨叶的响应。以法国SA349／2小羚羊直升机的试飞测试数据为依据，验证了方法的有效性。     

三维高超声速底部喷流干扰流场数值模拟与试验研究

通过数值模拟和风洞试验两种手段对来流马赫数M∞=4、喷流压比Pj/P∞=156.8、不同迎角下的三维高超声速底部喷流干扰流场进行了研究.研究结果表明超声速底部喷流干扰流场结构复杂,有、无喷流时底部流场有很大不同,对气动力系数影响显著;在大喷流压比情况下,喷流干扰使导弹纵向气动力系数下降、压心前移.最后,对数值模拟与风洞试验在结果上的差异进行了分析.     

空天飞机喷管的气动设计

本文首先阐述了喷管气动设计在整个空天飞机气动设计中的重要地位,介绍了两种用于空天飞机的二维不对称喷管的无粘流气动设计方法。一种是基于 Rao 的最大推力喷管设计方法;另一种是基于最小长度喷管的设计方法。重点介绍了 NASA Langley 研究中心固定几何形状的超燃冲压发动机喷管的气动设计。分析了发动机位置、上壁倾角、外罩内侧倾角和外罩长度对飞行器性能的影响。最后,介绍了空天飞机喷管流动的风洞实验和计算流体力学的进展,并提出了尚待进一步研究的问题。     

DPIV技术在超声速自由涡气动窗口研究中的应用

超声速自由旋涡气动窗口是利用超声速自由旋涡射流来密封高能激光器低压的激光腔,了解气动窗口的流场结构对提高其气动性能和光学性能是非常重要的。本文采用纳米材料作为示踪粒子,开发了超声速流场的DPIV测试技术,并应用于超声速自由旋涡气动窗口的流动显示和测量。测量的最大流场马赫数为4.21,得到了气动窗口的启动过程和剪切层非线性快速增长的流动图画,获得了超声速自由旋涡射流及其诱导流动的速度场。     

直升机旋翼计算流体力学的研究进展

依据直升机旋翼计算流体力学(CFD)的发展，分别介绍了小扰动位势方程、全位势方程、Euler方程和Navier—Stokes方程在旋翼流场计算中的研究现状和发展趋势，着重从方程离散、数值算法、网格生成、计算时间和计算精度等方面分析了不同旋翼CFD方法的特点，指出了旋翼的尾迹在旋翼流场计算中的重要性，并针对位势方程和Euler／N—S方程分别讨论了求解的边界条件。最后，对旋翼CFD的发展提出了几点展望。