基于双向流固耦合的柔性扑翼变形数值研究

通过研究柔性扑翼变形、惯性力及气动力的相互关系和作用机理,为扑翼飞行器的设计提供参考。在考虑扑翼运动特点的情况下,发展了一种求解雷诺平均N-S方程和结构动力学方程的双向流固耦合数值方法。对柔性翼惯性力方程进行改进,使其更方便与气动升力进行数值对比。针对柔性翼变形研究的困难性,提出了一种通过全翼面应变去分析柔性翼变形的方法。研究结果表明:柔性翼的扑动频率对惯性力和气动升力的影响程度较为一致;柔性翼应变主要集中在前缘和翼根周围,随着远离前缘和翼根,其应变值逐渐减小,应变一定程度上可以反映柔性翼的弦向变形;柔性翼变形导致推力在整个周期上的主要方向为正,能够显著提升扑翼飞行能力。     

压电致动器扑翼结构动力学仿真

采用传统扑动机构的微型扑翼,气动效率低、扑动能耗大。采用压电致动器的微型扑翼通过压电材料进行致动使机翼产生上下扑动,有效地将扑动机构和机翼两个主要系统进行集成,不仅节省重量,同时它具有任务变形自适应能力强、气动效率高和扑动能耗小的特点。通过PCL语言建立采用压电致动器的扑翼有限元模型,结合同尺寸扑翼气动力试验数据,进行采用压电致动器扑翼结构仿真。利用仿真结果研制采用压电致动器扑翼原理样机,研究表明,采用压电致动器后扑翼扑动频率得到明显提高,压电片可有效控制机翼的弯扭变形,有助于提高扑翼的气动效率。     

扑翼飞行器平面形状对气动力的影响研究

为了了解扑翼飞行器在扑动过程中的气动力,采用非定常涡格法模拟扑动过程中的气动力计算,得到了刚性扑翼在扑动周期内气动力的变化及尾涡的形态。在此基础上,研究了扑翼的周期平均气动力随扑动频率、幅度、迎角及来流速度的变化关系,并进一步研究了不同的机翼平面形状对气动力的影响。计算结果表明,迎角和扑动频率的增大能够增加扑翼的升力,不同翼面形状的扑翼在升力特性及推力特性方面具有不同的优势。     

一种仿蜜蜂类昆虫扑翼悬停控制的仿真估算研究

基于准稳态气动力模型,推导了仿蜜蜂类昆虫扑翼气动力和力矩估算公式,建立了扑翼运动函数.将仿蜜蜂类昆虫扑翼视为空间运动刚体,在其动力学方程基础上,采用分层控制策略研究悬停控制问题.外层为位置控制,X和Y位置应用PD控制算法,Z位置应用切换控制方法;内层姿态控制采用切换控制方法,并选择了一套机翼运动参数用于切换控制.最后进行了仿蜜蜂类昆虫扑翼悬停控制仿真试验,试验结果表明所设计的控制策略是有效的,一旦昆虫扑翼受到干扰偏离平衡位置后,通过自动调节能够回到平衡位置附近.      

扑翼飞行器机翼开孔对气动特性的影响研究

论述了扑翼飞行器扑动升力产生的基本原理,提出采用机翼开孔的方式获得扑动升力的方法。通过风洞试验研究了翼面开孔对机翼气动特性的影响,结果表明机翼开孔可以有效获得扑动升力,降低扑动功耗,但会损失一定的推力。采用正交实验方法对风洞实验进行设计,构建机翼气动力关于实验参量的二次响应面方程,并通过响应面方程对开孔机翼的气动特性进行评价。结果表明所设计的开孔机翼最大起飞重量与无孔机翼相当,但其低速飞行能力较好,功率消耗较少,有望实现悬停飞行。     

仿昆扑翼飞行器的翅膀惯性力分析

用理论模化和仿真试验相结合的方法,研究了昆虫翅膀扑动产生的惯性力和惯性力矩.在昆虫扑翼飞行运动的仿生模拟基础上,研究了翅膀扑动过程中拍动幅度、拍动加(减)速周期、平动迎角和翻转加(减)速周期4个振翅运动参数对翅膀惯性力(矩)的影响.研究表明:微小尺度昆虫高频扑翅产生的惯性力幅值与气动力的幅值大致相当;昆虫翅膀的弦向转动惯量比展向转动惯量近似高一个数量级;翅膀拍动惯性力矩的影响远远高于翅膀转动惯性力矩的影响,而转动惯性力矩是可以忽略不计的;只要翅膀的拍动是对称的,就可认为翅膀的扑动是近似对称的;如果翅膀拍动对称的同时转动对称,就可认为翅膀的扑动是严格对称的,此时翅膀惯性力可以忽略.      

高频扑动微扑翼飞行器多目标优化设计

微扑翼飞行器高频扑动时机翼与机身最大载荷急剧增加,严重影响飞行性能和飞行寿命。分析微扑翼扑动过程中机翼运动情况及受力情况,建立扑动过程中机翼升力、阻力和惯性力数学模型,提出以改善载荷在时间域上分布情况为目标的多目标优化模型,并且在Matlab环境下采用NSGA-Ⅱ算法进行求解,得到悬停状态下的Pareto最优解集。结果表明:提出的优化模型使升力峰值与惯性力峰值显著降低,载荷分布情况得到明显改善。     

一种非对称折叠扑翼的风洞试验与数值模拟

为了解鸟类翅膀折叠运动的作用,对一个专利中的折叠扑翼机构进行了数学建模,外翼的折叠运动由非定常过程中的气动力、弹性恢复力矩和惯性力决定.利用风洞试验和数值模拟两种方式对该折叠扑翼模型进行了研究.数值模拟和风洞试验结果表明:相对于非折叠扑翼,折叠翼能够有效提高平均升力;在一定范围内增加内翼扑动频率可以提高折叠翼平均升力系...     

柔性扑翼微型飞行器升力和推力机理的风洞试验和飞行试验

为探讨柔性扑翼微型飞行器产生升力和推力的机理,在研究考虑柔性大变形扑翼气动力计算方法基础上,利用南京航空航天大学低速风洞进行了不同扑动频率、迎角、速度下微型扑翼升力、推力的变化和动态流场显示等风洞实验,并与计算结果进行了比较分析,为微型扑翼机的设计提供了的参考依据.自行研制的微型柔性结构扑翼机成功地进行了飞行试验.      

粘弹性蜻蜓型翼挥拍的流固耦合求解途径初探

昆虫翼挥拍时的动态变形与受到的惯性力和气动力是相互影响的,这是一个复杂的流固耦合过程,本文利用简化的非定常气动力估算方法、简化的昆虫翼结构模型和简化的拍动方式,对该问题的耦合求解途径做了初次探索.首先,在比较了昆虫翼拍动中受到的惯性力和气动力大小的基础上,阐明了耦合求解蜻蜓翼变形过程的必要性.其次,提出一个迭代求解该耦合问题的简化方案,并利用有限元数值模拟了粘弹性蜻蜓模型翼绕定轴往复挥拍的变形过程,比较了耦合气动力前后的模型翼变形,并初步分析了能耗变化.     

Study of aerodynamic and inertial forces of a experimental and numerical methods

The force-generation mechanism of a dovelike flapping-wing micro air vehicle was studied by numerical simulation and experiment. To obtain the real deformation pattern of the flapping wing, the digital image correlation technology was used to measure the dynamic deformation of the wing. The dynamic deformation data were subsequently interpolated and embedded into the CFD solver to account for the aeroelastic effects. The dynamic deformation data were further used to calculate the inertial forces...     

微型飞行器的仿生流体力学——昆虫前飞时的气动力和能耗

 用数值模拟方法研究了昆虫前飞时的气动力和需用功率。由N S方程的数值解提供速度场和压力场,从而得到涡量、气动力和力矩 (惯性力矩用解析方法计算 )。基于流场结构,解释了非定常气动力产生的原因;基于气动力和力矩,得到需用功率。悬停飞行中揭示出的 3个非定常高升力机制 (不失速机制,拍动初期的快速加速运动,拍动后期的快速上仰运动 )在前飞时仍然适用 (即使在快速前飞时,V∞ =2～ 2.5m/s,失速涡也不脱落 )。在低速飞行时 (V∞ ≈ 0.5m/s)平衡重量的升力既来自于翅膀的下拍运动也来自于上挥运动,并主要由翅膀的升力贡献;克服身体阻力的推力主要来自于翅膀的上挥运动,由翅膀的阻力贡献。在中等速度下 (V∞ ≈ 1.0m/s),升力主要来自于下拍运动,其中一半由翅膀升力贡献,一半由翅膀阻力贡献;推力主要来自上挥运动,也是一半由翅膀升力贡献,一半由翅膀阻力贡献。在快速飞行时 (V∞ ≈ 2.0m/s),升力主要来自于下拍运动,主要由翅膀阻力贡献;推力来自上挥运动,主要由翅膀升力贡献。悬停时,下拍和上挥做功同样大;前飞时,下拍做功较上挥大得多 :V∞ =0.5,1.0和 2.0m/s时,下拍做的功分别是上挥的 1.6,2.6和 3.5倍。     

民用飞机机翼副油箱静载荷计算

以亚音速、大展弦比的大中型民用飞机机翼挂装副油箱为研究对象,分析CCAR-25部中载荷计算的相关适航条款内容,考虑外挂物自身运动及机翼结构弹性变形对副油箱气动载荷的影响,给出了副油箱静载荷计算的过载—速度包线,高度—速度包线、载荷计算情况等,在工程应用成熟的《运输类飞机载荷计算程序包》基础上,采用亚音速稳态定常流升力线理论与风洞试验相结合的方法,将机翼简化为悬臂梁进行气动弹性修正,开展副油箱气动力弹性修正计算、惯性力计算、副油箱质量实时更新、包线筛选等功能模块的研究,通过工程应用其计算精度满足要求,形成了满足适航条款的副油箱静载荷计算方法,规范了副油箱静载荷的计算流程,拓展了《运输类飞机载荷计算程序包》的功能。     

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。     

基于CFD/CSD方法的蜻蜓柔性翼气动特性分析

给出了一种基于计算流体力学/计算结构力学（CFD/CSD）的双向流固耦合方法.通过交替数字二叉树（ADT）搜索技术识别流固网格之间的宿主-受体关系.采用局部插值算法完成两套网格系统之间的数据交换,并使用Delaunay图映射方法来完成气动网格的移动.将自编的非线性结构有限元程序、接口程序与南京航空航天大学（NUAA）微型飞行器中心的流体计算程序3D2MUFS相连接,应用于蜻蜓柔性翼拍动飞行的气动计算中.计算结果表明:柔性变形使得蜻蜓翼的时均举力系数从0.31提高到0.53,时均推力系数从0.07提高到0.13,证实了柔性变形能改善扑翼的气动性能.      

大柔性飞机非线性飞行载荷分析及优化

 大柔性飞机在气动力作用下产生较大的弯曲变形,线性理论难以获得比较合理的载荷分析及优化解答。为了综合考虑结构气动非线性效应的影响,飞机结构由相互连接的几何非线性欧拉梁表示,升力面由顺来流方向沿展向分布的可压缩马蹄涡网络表示,通过多控制面协调偏转对飞行载荷进行优化。算例表明：随着变形增大线性分析结果将产生误差,最大误差接近20%;通过协调偏转升降舵与机翼上的4组控制面显著减缓了翼根弯曲载荷13.6%。得出以下结论：结构弯曲效应将导致升力损失,线性理论的分析结果将产生显著误差;多控制面协调偏转方法可有效减缓结构载荷。     

飞行器刚体运动与气动弹性相互作用问题研究

通过联立求解空气动力学基本方程、飞行动力学运动方程和弹性结构振动方程,在时间域内模拟和分析了大展弦比飞机纵向动力学稳定性问题。结合动网格技术,气动力计算采用基于欧拉方程的计算流体力学方法,结构变形和飞行姿态位置变化统一为模态表示方法,通过松耦合将飞行器姿态稳定性和结构变形稳定性施行了模拟。以某大展弦比机翼飞机为算例,研究了其刚体运动和机翼的弹性振动的相互影响。结果表明：对于具有大展弦比机翼的飞机,其机翼的低阶弹性模态易与飞机飞行中本身的刚体模态发生耦合,从而导致飞机机翼的气动弹性发散以及飞机本身刚体运动稳定性的改变。对于这类飞机,在其气动弹性和飞行稳定性的分析和设计中必须充分考虑到两种运动的相互影响。     

Computational aerodynamic analysis on perimeter reinforced （PR）-compliant wing

Abstract Implementing the morphing technique on a micro air vehicle （MAV） wing is a very chal- lenging task, due to the MAWs wing size limitation and the complex morphing mechanism. As a result, understanding aerodynamic characteristics and flow configurations, subject to wing structure deformation of a morphing wing MAV has remained obstructed. Thus, this paper presents the investigation of structural deformation, aerodynamics performance and flow formation on a pro- posed twist morphing MAV wing design named perimeter reinforced （PR）-compliant wing. The numerical simulation of two-way fluid structure interaction （FSI） investigation consist of a quasi- static aeroelastic structural analysis coupled with 3D incompressible Reynolds-averaged Navier- Stokes and shear-stress-transport （RANS-SST） solver utilized throughout this study. Verification of numerical method on a rigid rectangular wing achieves a good correlation with available exper- imental results. A comparative aeroelastic study between PR-compliant to PR and rigid wing per- formance is organized to elucidate the morphing wing performances. Structural deformation results show that PR-compliant wing is able to alter the wing＇s geometric twist characteristic, which has directly influenced both the overall aerodynamic performance and flow structure behavior. Despite the superior lift performance result, PR-compliant wing also suffers from massive drag penalty, which has consequently affected the wing efficiency in general. Based on vortices investigation, the results reveal the connection between these aerodynamic performances with vortices formation on PR-comoliant wing.