复合材料大展弦比机翼的弹性变形对飞机纵向气动导数的影响

针对复合材料大展弦比机翼进行了静气动弹性特性的分析研究。计算应用MSC／NASTRAN软件，以某飞机复合材料大展弦比机翼的静力分析有限元模型为基础，对模型进行合理的修改，建立起静气动弹性分析的有限元模型，使用结构柔度法和亚音速偶极子格网法进行静气动弹性计算，重点分析了纵向气动导数以及相应的弹性修正系数随马赫数、速压变化的特点，总结出复合材料大展弦比机翼的一些气动弹性特性。     

大展弦比复合材料前掠翼气动弹性分析与优化

对具有不同前掠角和蒙皮偏轴角的大展弦比复合材料机翼进行了气动弹性建模与计算，以分析前掠角和蒙皮偏轴角对这类结构的静、动气动弹性特性的影响。使用遗传／敏度混合优化算法对几种典型前掠角和蒙皮偏轴角情况下的机翼进行了气动弹性优化设计研究，在满足强度、位移、发散速度和颤振速度等约束条件的前提下，以机翼各部件复合材料铺层的厚度为设计变量，对结构进行重量最小化设计。此外，还分析了蒙皮和突缘的铺层厚度沿展向变化的函数的幂次对优化结果的影响。     

大展弦比复合材料机翼结构建模与气动弹性分析

建立了具有任意截面形状的大展弦比复合材料翼的结构模型。研究了机翼的两种铺设方式：即周向均匀刚度配置（CUS）和周向反对称刚度配置（CAS）。对于复合箱梁情形，目前的结构建模方法正确性通过ANSYS有限单元软件得到了验证。为了研究具有NACA0012翼型的大展弦比复合材料机翼的气动弹性问题，利用线性ONERA空气动力模型来描述小攻角情形下的非定常空气动力载荷。最后，利用U—g法预示了机翼在各种复合层铺设角度下的颤振速度。     

大展弦比机翼的气动弹性问题探讨

在考察国内外高空长航时飞机研究的基础上，对大展弦比机翼的气动弹性问题进行了探讨；分析了结构非线性对大展弦比机翼的气动弹性和飞行载荷的影响；提出了大展弦比机翼气动弹性问题的研究内容，并指出其技术难点。     

考虑机翼几何非线性的气动弹性建模与分析

大展弦比柔性机翼结构重量轻、气动效率高,广泛应用于高空长航时无人机(UAVs)。飞行过程中,这类机翼在气动力作用下发生大变形,线性结构模型不再适用,需要建立考虑几何大变形的结构模型。采用牛顿力学方法推导了考虑结构几何非线性的机翼结构动力学模型,该方法推导过程简洁、物理意义明确,可以与Hodges基于哈密顿原理的推导方法相互补充,相互验证。为了能够更准确地求解大展弦比柔性机翼的非定常气动力,建立了能够考虑机翼三维效应且适用于机翼空间大变形的非定常气动力模型。基于建立的非线性结构模型和非定常气动力模型,采用松耦合方法建立了非线性气动弹性模型,并通过算例验证了气弹模型的准确性。研究结果表明,大展弦比柔性机翼颤振速度对来流迎角和机翼的展长均较为敏感;当来流速度大于颤振速度时,由于几何非线性,机翼振动并未发散而是形成稳定的极限环振荡(LCO);随着来流速度进一步增加,机翼再次穿过临界稳定点,由不稳定系统变为稳定系统,直到随着速度的增加系统再次达到临界稳定状态。     

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。     

考虑翼吊发动机推力的机翼颤振分析

分析了带翼吊发动机的大展弦比机翼颤振特性,其中考虑了机翼大变形和发动机推力的作用。采用梁单元对双梁式机翼和发动机吊舱进行了结构建模,采用修正的片条理论计算曲面定常气动力,修正的Theodorsen方法计算曲面非定常气动力,发动机推力始终沿发动机轴线。研究机翼在不同攻角时的定常气动力及发动机推力联合作用下固有振动和颤振特性的变化情况。结果表明,发动机推力对机翼静变形和固有频率改变不大,但对颤振临界速度的变化量不容忽视,有可能成为大型运输机机翼设计的限制因素。     

大展弦比复合材料机翼失速颤振分析

研究了大展弦比复合材料机翼在较大迎角状态下的失速颤振特性,探讨了结构几何非线性和由复合材料剪裁产生的刚度耦合效果对机翼失速颤振特性的影响.首先,将复合材料机翼建模为转角和位移均可为有限值的非线性薄壁单闭室截面Euler梁,并在综合考虑结构几何非线性、气动非线性和材料各向异性对机翼运动状态的影响的基础上,建立机翼的运动微分方程.然后,使用小扰动分析的方法得到机翼在平衡位置附近的振动方程,采用ONERA半经验的非定常失速气动力模型,获得机翼在平衡位置附近的非线性失速颤振分析方程.最后,利用谐波平衡法求解并判定机翼颤振稳定性.通过算例,首先验证了算法的正确性,然后研究了几何非线性对失速颤振的影响,并讨论不同的复合材料铺层方式导致机翼失速特性的改变.     

大变形状态机翼振动试验与气动弹性分析

本文针对结构大变形引起的几何非线性对于结构动力学特性的影响作了计算和试验研究,设计了一个试验,用于体现大展弦比平板机翼结构大变形对于动力学特性的改变。并计算分析了这种大变形对于该机翼气动弹性颤振特性的影响,并参考了一个双梁骨架结构机翼的计算分析结果。经分析发现几何非线性因素对于这两种机翼结构的影响体现在:第一,使得固有模态中的扭转模态频率大幅降低;第二,使得颤振特性发生变化。     

大展弦比复合材料机翼的非线性颤振分析

 大展弦比机翼在气动力作用下产生较大变形,颤振速度和颤振频率随之发生明显变化,线性理论难以获得比较合理的解答。综合考虑了结构几何非线性、气动非线性和材料各向异性对机翼运动状态的影响,将复合材料机翼建模为非线性薄壁单闭室截面梁,建立机翼的运动方程,并使用小扰动分析的方法得到机翼在平衡位置附近的振动方程。采用Theodorsen非定常气动理论构建气动模型,获得机翼在平衡位置附近的非线性颤振方程,并利用v-g法判定机翼颤振稳定性。通过算例演示了一些非线性颤振的特点,讨论了铺层角、展弦比、机翼线密度等参数对颤振速度的影响,并与线性理论得到的结果进行对比。     

15米翼展太阳能飞机机翼颤振分析和刚度设计

太阳能飞机小刚度和大变形的特点导致其普遍存在颤振问题,因此有必要合理建立太阳能飞机的动力学模型并进行颤振分析。以国内某15米翼展太阳能飞机为研究对象,建立初始的动力学模型,然后根据目标颤振速度调节模型刚度,得到了与目标颤振速度匹配的机翼主梁刚度,从而实现太阳能飞机的动力学反向建模,并在此基础上进行颤振分析,形成完整的太阳能飞机颤振分析设计方法。结果表明:该机翼扭转刚度增大70%,其颤振速度可提高29%。本文方法可用于指导15米太阳能飞机的防颤振设计。     

飞翼布局特殊舵面建模与颤振分析研究

以多舵面组合下的无尾飞翼布局为基础,建立全机的结构动力学有限元模型,进行固有模态分析。对颤振计算方法进行改进,分析了多舵面下的颤振和振动特性,研究了在机身后缘机翼外侧的副翼改成对开式双舵面后无尾飞翼布局的颤振和振动特性,提出了一种建模和计算的方法。     

具有随机不确定性的机翼颤振优化

针对不确定性参数在颤振优化分析中的影响,提出了一种含颤振约束的、具有随机不确定性的机翼气动弹性优化设计方法.在MSC.NASTRAN平台上建立了结构的动力学模型、采用ZAERO程序进行了非定常气动力计算与颤振分析,用响应面方法计算了隐式失效功能函数,以重量最小为设计目标,对包含颤振概率约束的复合材料机翼进行了优化设计....     

基于等效板模型的弹翼颤振分析

 基于等效板模型发展了一种适用于导弹翼面的动力学和颤振分析方法。在等效板建模过程中,使用简单多项式定义翼面的几何、结构和位移,利用人工弹簧近似边界条件,通过全局Ritz法得到刚度和质量矩阵的解析表达形式,通过特征值问题的求解得到翼面的固有频率和振型。通过频率和模态的初步比较发现,利用该方法得到的弹翼动力学特性与通过有限元方法得到的结果一致。然后利用这两组模态进行弹翼的颤振分析,通过对比发现,两种方法的颤振分析结果吻合,这也进一步验证了等效板方法在弹翼动力学分析方面的准确性。等效板方法为弹翼初步设计阶段的快速建模提供了一种有效工具。     

复合材料后掠翼机翼气动弹性分析

对于复合材料后掠翼机翼,扭转发散问题一般并不突出,其操纵面的操纵效率和颤振临界动压是比较关心的两个问题.文章采用 COMPASS 软件,对某复合材料后掠翼飞机进行了操纵效率分析,并重点计算了该机在不同高度下颤振速度随马赫数的变化情况,详细分析了机翼振动、颤振特性随蒙皮不同铺层比变化情况.结果表明,舵面操纵效率随着马赫数的增加而降低,飞机设计要通过设计参数调整选择合适的副翼反效动压与扭转发散动压之比,使飞行范围内的操纵效率尽可能高;同时复合材料后掠机翼的弯扭耦合效应相当突出,而复合材料剪裁可以调整0°、±45°、90°铺层比例,提高结构扭转刚度,从而提高飞机颤振速度     

Aeroelastic optimization of an aerobatic aircraft wing structure

This paper aims at presenting an investigation into a minimum weight optimal design and aeroelastic tailoring of an aerobatic aircraft wing structure. Firstly, analytical and FE models were created for the original metallic wing and an improved composite wing box structures. In order to validate the numerical models, predicted vibration parameters of the metallic wing box were compared with the experimental results. Comparison was also made for the predicted stress results between the metallic and the composite wing box structures of different dimensions and laminate layups. Secondly, based on a minimum weight composite wing box model of adequate strength the investigation was focused on the aeroelastic tailoring of the wing box by employing the gradient-based deterministic optimization method. The study demonstrates that in addition to a significant weight saving, up to 30% increase of flutter speed for the composite wing box can be achieved by optimizing the fibre orientations of the wing skin and spar web laminates. The optimized laminates are trimmed and reinforced to meet the manufacture and strength requirements with little compromise of flutter speed and a minor weight penalty.     

一种面向工程的气动弹性剪裁技术

以COMPASS为平台研究了蒙皮铺层主方向角对机翼气动弹性的影响,以及采用不同形式的多项式函数表示蒙皮厚度的方法,分析了设计变量的敏度计算方法,并运用优化的方法对两个复材机翼结构进行了位移、频率、发散和颤振速度约束下的剪裁设计,获得了结构响应与主方向角的变化曲线和机翼表面的厚度分布等高线.研究结果表明本方法拓宽了复材机翼的设计手段,具有广阔的应用前景.