弹性机翼刚度的静气弹敏感性研究

为保证大展弦比柔性机翼在巡航飞行时的气动性能够达到设计指标，需要在机翼气动外形设计阶段进行型架设计。机翼刚度对气动载荷有显著影响，是影响静气动弹性的重要因素之一。基于流固耦合方法开展变刚度型架外形设计鲁棒性分析研究，建立以机翼刚度为自变量的全机弹性气动导数评估模型，并以机翼扭转角及升力效率为约束，开展机翼刚度敏度分析。结果表明:垂直弯曲刚度、扭转刚度是影响机翼扭转角及全机升力效率的主要刚度特性；在机翼刚度变化不超过10%时可冻结型架外形；全机弹性气动导数与刚度比呈线性关系。研究结果可用于工程型号设计中的目标刚度静气动弹性评估。     

基于CFD/CSD大展弦比复合材料机翼的气动弹性分析

高空长航时无人机在飞行过程中受气动力的影响,机翼产生弯曲和扭转变形,这种弹性变形将严重影响飞机的飞行性能和飞行安全,不能将这种飞机机翼当作传统的刚性机翼进行气动分析。针对一大展弦比复合材料机翼,采用气动/结构耦合的分析方法,利用计算流体力学(CFD)软件FLUENT和计算结构动力学(CSD)ABAQUS联合求解,研究了大展弦比复合材料机翼在不同攻角下和复合材料的各向异性对机翼气动特性的影响。结果表明,大展弦比复合材料机翼受载变形之后机翼的升力系数,升阻比都比刚性体机翼略小,但是随着攻角的增加,弹性体机翼升力系数增加较快,甚至会超过刚体机翼的升力系数。调整机翼蒙皮处的碳纤维铺层角,气动特性变化明显,当铺层角在±45°时机翼扭转刚度达到最大;升力系数和升阻比达到最大。     

客机机翼气动/结构多学科优化方法

针对客机机翼特点,建立机翼外形和结构参数化模型;应用CATIA二次开发技术和PCL编程,实现气动分析模型和结构有限元模型的自动生成;分析了气动和结构之间的耦合关系,研究一种气动载荷自动加载到结构模型的方法;应用基于代理模型的二级优化方法求解机翼气动/结构设计多学科优化问题;在iSIGHT软件环境下实现机翼气动/结构多学科优化计算流程。算例结果表明,本文提出的机翼气动/结构多目标优化方法能获得关于升阻比和结构重量的最优解集,有助于设计人员确定合理的机翼总体参数。     

增加翼型升力的局部振动流动控制技术

以增加升力、弱化激波为目的,采用计算流体力学的方法,开展了流场主动控制技术的研究。提出了内埋压电材料在上翼面引入周期性正弦振动形成附面层扰动这一主动控制方法。利用结构网格和相应的非定常流计算方法,对变形过程中的气动特性进行了数值仿真。分析了各种变形参数对升力特性的影响。以往的研究大多局限在二维翼型的数值仿真,本文将计算方法扩展到三维机翼模型,以进一步验证控制方法的有效性。研究表明,通过适当的参数优化,局部主动变形能够改善翼型背风区的气动特性,起到增升减阻的作用。低马赫数下,非对称翼型升力系数可提高15%;阻力系数减小16%;高马赫数下,通过控制使激波后移,对称翼型升力系数可提高17%。与传统机翼相比,这种自适应机翼负面效应小,不破坏机翼的结构,可以满足多种飞行状态下的气动需要。     

面向代理模型的机翼变形计算方法

按照机翼结构设计的原则,对内部结构还未确定的机翼提出了一种通用的变形计算方法。机翼的平面形状可看作由多个梯形组成,机翼弯曲变形为三次函数,扭转变形为一次函数。只要给定翼梢挠度与扭转角,即可计算机翼变形情况下的几何模型,使代理模型能够预测变形后机翼的气动载荷分布。文中给出了两个实际机翼的算例。算例结果表明,本文模型预测的变形与实际结构有限元分析给出的变形吻合较好。     

变体机翼后缘多学科设计与优化

变体飞机能够改变自身外形适应不同的飞行状态,提高飞行性能,其设计涉及气动、材料、结构等多个学科。本文采用零泊松比蜂窝结构的材料作为柔性蒙皮,设计了一种具备机翼参考面积不因弯度改变而缩减的特点的机翼后缘无缝偏转机构,研究了变体机翼后缘机构多学科设计与优化方法。优化结果表明,优化后的机翼巡航和起降状态都具备良好的气动性能,不但柔性蒙皮可产生大尺度拉伸变形,而且后缘结构均能满足刚度、强度等性能指标,同时机翼结构质量相比初始设计减轻了18%。文中研究的变体机翼多学科优化设计方法,能够快速有效地完成变体机翼无缝偏转后缘优化设计。     

倾转旋翼机机翼向下载荷的计算方法及参数影响分析

针对悬停和前飞时旋翼下洗流对机翼的气动干扰影响,建立了机翼向下载荷的计算模型.该模型中,旋翼在机翼处产生的诱导速度以及对机翼干扰的旋翼尾迹边界基于Weissinger-L升力面理论和自由尾迹方法计算,以考虑倾转旋翼桨叶的大负扭转和尖削带来的较大三维影响,机翼表面流则区分为弦向流及展向流,以分别计算向下载荷.以缩比的V-22模型旋翼为算例,计算了悬停时旋翼下方的下洗速度分布和机翼的向下载荷,与可得到的实验结果进行了对比,验证了计算模型的有效性.然后,应用该计算模型,研究了襟翼偏角、旋翼倾转角、前飞速度、旋翼/机翼间距等参数对机翼向下载荷的影响.结果表明:机翼的襟翼偏斜角对有效减小机翼向下载荷有重要作用,随旋翼从悬停向前飞倾转,机翼向下载荷减小.     

复杂布局机翼结构多约束优化设计

机翼结构需要同时满足强度、刚度、气弹和设备安装等要求,布置多个外挂设备的机翼结构设计约束更加复杂,传统方法难以得到最优方案。本文提出了通过约束机翼剖面弯曲刚度和扭转刚度来控制气动弹性的方法,研究了稳定性和位移敏度计算理论,结合工程准则法和数学规划法,搭建了适用于复杂布局机翼结构的多约束优化流程,以国产结构分析软件HAJIF为平台进行了程序实现,并结合工程机翼案例进行了方法验证。优化结果表明,本文方法能够以静力分析模型为基础,同时考虑强度、刚度和稳定性等多种约束形式,在有限计算机时内给出最优设计方案,具有一定的工程应用价值。     

λ机翼气动/结构多学科设计与优化

λ机翼锯齿状后缘的气动外形设计增大了展弦比，进而提高了空气动力学效率，但同时也导致结构质量的增加。因此，本文提出了一种针对战斗机类λ机翼的气动/结构多学科设计优化方法，关键步骤包括机翼外形和结构参数化建模、气动分析模型自动生成与外形优化、结构有限元模型自动生成与结构布局/尺寸优化。在ISIGHT软件环境下集成气动、结构优化模块，利用基于代理模型的多级优化方法求解λ机翼气动/结构多目标优化问题。算例结果表明，本文提出的优化方法能够较好地兼顾了λ机翼的气动和结构性能，进而提高初步设计阶段的效率。     

不同机翼优化构型的轻质F4模型气动特性实验研究

采用光固化快速成型技术(SL)加工基于气动/结构耦合分析的六套不同机翼优化构型的轻质F4模型,在0.6m跨超声速风洞完成了马赫数0.6~0.85范围内的气动力测量试验.试验结果表明,采用气动/结构耦合优化设计的代号为6#的轻质F4模型升力特性与国外结果较接近,与机翼三维变形的事实吻合,验证了采用的气动/结构耦合优化设计方法基本可行,为探索模型静气动弹性风洞试验数据修正方法提供了参考.     

可变后缘弯度机翼柔性蒙皮的变形特性分析

应用面元法和有限法建立了柔性蒙皮在气动载荷作用下的流固耦合分析方法。数值仿真结果表明:位于变形后缘上表面的柔性蒙皮在气动载荷作用下将被"吸"成鼓包形状,且这个局部变形对翼型后缘部分的压力分布具有很大影响。在此基础上,研究了柔性蒙皮在气动载荷作用下的变形随其弹性模量、厚度和初始预应变的变化规律。可以得出,柔性蒙皮的变形量随着翼型后缘偏角的增加而先增大后减小,并不是随着后缘偏角的增加而增大;增加蒙皮的厚度可以减少柔性蒙皮的最小弹性模量和最小拉伸刚度,但蒙皮的厚度受限于机翼的结构空间;满足Jacobs形变准则的蒙皮最小拉伸刚度随着蒙皮预应变的增加而降低。     

基于CFD/CSD的大展弦比机翼气动弹性研究

考虑气动力非定常效应和惯性载荷作用对机翼气动弹性行为的影响,采用基于Euler方程和有限元的CFD/CSD耦合方法分析了大展弦比机翼的气动弹性时域响应,实现静、动气动弹性一体化计算.计算结果显示在相同马赫数下,机翼静变形随着飞行动压增大而增大;但是随着飞行高度的增加,机翼在进入稳态之前振荡越剧烈,响应超调越大,升力损失...     

某飞机部件高速风洞测力天平研制

为满足某飞机部件高速测力试验的需要,研制6台部件测力天平来测量飞机不同部件(机翼、平尾、垂尾、短舱、短舱+挂架、翼尖小翼)所受的气动载荷,天平设计载荷极不匹配,且模型空间有严格的限制.设计时,主机测力天平采用后腹支撑,安装在机身构造线的下方,为部件天平的安装提供了可能,同时针对不同的天平采用了不同的结构形式:机翼天平采用正八边形结构,垂尾天平采用三片梁结构,平尾天平、短舱、短舱+挂架采用矩形梁结构,翼尖小翼天平采用"Z"字形结构,既满足了天平的测量需要,又确保了天平在模型中的安装位置和试验的足够间隙.部件天平的成功研制,及时为型号研制提供了可靠的试验数据.     

一种智能材料结构在变形体机翼气动特性研究中的应用

为验证所提出的智能材料结构在柔性变后缘机翼气动特性研究中应用的可行性，在跨声速风洞中运用模型变形视频测量技术测量了机翼后缘的偏转变形量，并记录了偏转变形的动态过程。同时测量了上翼面的压力分布。实验马赫数0.4~0.8，模型迎角0°~6°。分析了来流条件对结构变形能力的影响。结果表明:跨声速条件下，智能材料结构在气动载荷作用下能够驱动机翼后缘偏转变形。驱动力一定时，变形能力受到马赫数和迎角等因素影响。马赫数增加会减弱智能材料结构的变形能力，导致变形速度减小，后缘偏转角降低。迎角的影响较为复杂，且与马赫数的影响相互耦合，马赫数越高迎角的影响越强。最后，通过对后缘压力分布形态的分析得出，变形后后缘是否发生流动分离是影响智能材料结构变形能力的关键因素。     

一种折叠弹翼悬挂物的分离轨迹试验技术

提出了一种新的折叠弹翼悬挂物机弹分离轨迹试验技术,重点解决了在机弹分离过程中折叠弹翼动态展开时悬挂物的气动力获取问题。研究表明,提出的试验技术通过将悬挂物气动力修正方法引入到悬挂物分离安全性研究当中,准确地得到悬挂物的分离特性,解决了折叠弹翼悬挂物分离轨迹风洞试验技术瓶颈,为折叠弹翼悬挂物的投放分离安全性提供一套工程实用的解决方案。     

飞翼布局低速支撑干扰及局部外形畸变影响数值模拟

飞翼布局具有气动效率高、隐身性能好的优点，是未来军民用飞机的重要发展方向。该类布局模型风洞试验尾撑、腹撑及背撑等支撑形式的干扰量及由此带来的模型局部外形畸变影响较为复杂，目前还没有通用的支撑方案和试验修正方法。采用CFD数值模拟方法，分别对某小展弦比飞翼布局标模低速尾撑支杆干扰和尾部外形畸变影响进行了研究，结果表明:在常用角度范围内，所使用的数值模拟方法是可靠的，可用于风洞试验支撑方案的评估及支撑干扰的修正；对纵向特性，尾撑支杆干扰量和尾部外形畸变影响量相对全量较小；对横航向特性，尾撑支杆干扰量基本可忽略，尾部外形畸变影响量与全量相当。     

Two-Way-Coupling Method for Rapid Aerothermoelastic Analyses of Hypersonic Wings

Several types of coupling methods for resolving aerothermoelastic problems associated with hypersonic wings are summarized,and the appropriate coupling methods for engineering calculations are selected.Then,the calculation and analysis methods for the subdisciplines in this field are introduced,and the time step issue is discussed.A two-way-coupling rapid static aerothermoelastic method for analyzing hypersonic wings is proposed.This method considers thermal effects and is used to conduct an aerothermoelastic response analysis for a hypersonic wing.In addition,the aerodynamic force,heat flux,structural deformation and temperature field are obtained.The following three conclusions are drawn.First,the heating effect has a significant impact on the static aeroelastic response of hypersonic wings;therefore,thermal protection shields are essential.Second,the application of thermal protection shields reduces the differences in the calculation results between the one-and two-way-coupling methods.Third,hypersonic wings exhibit large thermal deformation under high-temperature environments,and in certain cases,the thermal deformation is even larger than the deformation caused by aerodynamic force.     

Structural Design and Control of Variable Camber Wing Driven by Ultrasonic Motors

A novel variable camber wing driven by ultrasonic motors is proposed.Key techniques of distributed layout of drive mechanisms,coordination control of distributed ultrasonic motors as well as novel flexible skin undergoing one-dimensional morphing are studied.The system integration of small variable camber wing is achieved.Distributed layout of parallelogram linkages driven by geared ultrasonic motors is adopted for morphing,aimed at reducing the load for each motor and producing various aerodynamic configurations suitable for different flying states.Programmable system-on-chip(PSoC)is used to realize the coordination control of the distributed ultrasonic motors.All the morphing driving systems are assembled in the interior of the wing.The wing surface is covered with a novel smooth flexible skin in order to maintain wing shape and decrease the aerodynamic drag during morphing.Wind tunnel test shows that the variable camber wing can realize morphing under low speed flight condition.Lift and drag characteristics and aerodynamic efficiency of the wing are improved.Appropriate configurations can be selected to satisfy aerodynamic requirements of different flight conditions.The study provides a practical application of piezoelectric precision driving technology in flow control.     

柔性-刚性混合翼微型飞行器气动特性研究

提出了一种将柔性翼和刚性翼相结合的柔性-刚性混合翼微型飞行器新概念布局型式,通过与刚性翼微型飞行器的风洞对比试验研究了该新概念布局的气动特性.在此基础上,进行了柔性-刚性混合翼微型飞行器试验原理样机的飞行试验验证.风洞试验和飞行试验研究结果表明:柔性-刚性混合翼微型飞行器的新概念布局是可行的;与刚性翼微型飞行器相比而言,柔性-刚性混合翼微型飞行器具有更好的气动特性,对解决微型飞行器抗风稳定飞行问题是有效的.