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。     

弹性飞行器飞行载荷与动态特性分析

在综合考虑了刚体运动自由度和弹性自由度的弹性飞行器运动方程的基础上 ,采用了线性气动力的影响系数形式 ,提出了一套飞行载荷与动态特性分析的方程和方法 ,用于解决飞行力学和气动弹性力学中的静气动弹性发散、配平与结构变形、气动载荷分布、颤振与飞行动态特性等问题。算例表明 ,该方法有效可行 ,且对于大柔性飞行器 ,刚体运动模态与弹性模态之间的耦合是显著的 ,应予以重视。     

考虑刚体/弹性耦合的飞机动稳定性研究

以大展弦比无人机为例,研究刚体运动对飞机纵向气动伺服弹性(ASE)稳定性以及弹性运动对飞机纵向飞行力学稳定性的影响。针对带有反馈控制的飞机,建立了时域的刚体/弹性耦合运动方程;以刚体运动频率与一阶弹性频率的比值为参数,分别研究有无刚体模态时的ASE系统稳定裕度和有无弹性模态时的飞行力学稳定裕度。数值仿真表明,当飞机刚体运动频率与一阶弹性频率的比值大于0.01时,飞机刚体运动对ASE稳定裕度的影响逐渐显现;当该频率比值大于0.03时,飞机弹性运动对飞行力学稳定裕度的影响开始突现;当该频率比大于1时,刚体弹性耦合效应不可忽略。     

耦合六自由度运动弹性飞机阵风响应数值模拟

耦合飞机刚体六自由度运动,考虑飞机结构气动弹性变形,基于全湍流Navier—Stokes方程流场数值模拟方法．建立了离散阵风作用下弹性飞行器气动载荷与飞行姿态响应的数值模拟技术。其中模态空间中结构动力学方程以及六自由度运动方程分别采用四阶R—K进行时间推进求解,采用RadialBasicFunction（RBF）技术进行气动／结构数据耦合。对应飞机姿态以及弹性变形采用RBF与TFI组合模式的动网格方法进行网格更新;以飞翼布局弹性飞机为数值研究对象,研究了离散阵风作用下飞行器的气动载荷响应以及飞行姿态的变化,对比分析了刚性飞行器与弹性飞行器对离散阵风响应的区别,为进一步系统地分析真实飞机飞行品质提供数值平台。     

一种适用于弹性飞机飞行仿真的补丁方法

现代飞行器呈现轻结构、大柔性和低阻尼等特点，气动弹性效应成为不可忽视的因素，使得弹性飞机存在明显区别于刚性飞机的运动响应。由于弹性飞机飞行仿真需研究刚弹耦合方程，增加了建模和验证的难度。针对该问题，提出了一种适用于弹性飞机飞行仿真的补丁方法，通过广义气动力的拆分和测量信号弹性增量的叠加构成“补丁模块”，将该模块置入6自由度全量方程的刚性飞机飞行仿真中，实现弹性飞机的飞行仿真。该方法充分利用了原有刚性飞机的飞行仿真模型，简化了弹性飞机的建模过程，有利于开展后续工作。以某大展弦比无人机为例，基于“补丁模块”的弹性飞机飞行仿真分析给出了对应的配平方法，并在机动响应、气动力非线性和气动伺服弹性稳定性研究中验证了该飞行仿真方法的可行性和准确性。     

柔性飞机非线性气动弹性与飞行动力学耦合静、动态特性

高空长航时(HALE)飞机结构细长、具有柔性,在常规飞行条件下可发生结构大变形、气动失速以及结构低频振动与刚体运动耦合,这些现象显著影响其静、动态特性.基于几何精确完全本征运动梁模型、ONERA动失速气动力模型和六自由度刚体运动模型,建立了考虑几何非线性、动失速和材料各向异性等因素的大展弦比柔性飞机非线性气动弹性与飞行...     

重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模及空中共振稳定性分析

针对重型直升机（HLH）大重量、低转速的固有特性,提出了一种适用于重型直升机的飞行动力学刚弹耦合建模方法。该方法结合传统直升机飞行动力学与旋翼机体耦合动力学,将传统飞行力学的分析频段拓展到了5 Hz,额外考虑了桨叶和机体的弹性变形,基于阻抗匹配法推导出了显式的旋翼/机体耦合动力学方程,模拟了真实飞行状态下的直升机气弹耦合特性,利用该模型计算并分析了算例重型直升机的悬停飞行特性和空中共振稳定性。结果表明：旋翼机体耦合导致摆振前进型和机体弹性模态的阻尼-转速曲线先相互靠近至同一点再分离,可能引起直升机的高频瞬态振动;在摆振等效阻尼不足时,旋翼摆振后退型是不稳定的,但随着等效阻尼增加,摆振二阶周期型模态和机体弹性模态会出现耦合;桨叶弹性变形与机体弯曲模态及挥舞集合型耦合,但不会引起明显的不稳定现象。     

弹性飞行器伺服气动弹性分析

伺服气动弹性问题是因非定常空气动力、结构弹性与飞行控制系统间的闭环耦合而引起的弹性飞行器新课题。首先,综述了飞行器伺服气动弹性相关问题;其次,考虑飞行器刚体模态与弹性模态的动态耦合,建立了弹性飞行器俯仰通道短周期运动模型;最后,通过编制软件对飞行器伺服气动弹性进行了仿真分析,并得出了相应的结论。     

弹性飞机纵向机动飞行轨迹计算和分析

考虑气动弹性静变形计算某飞机铅垂纵向平面内的机动飞行轨迹。将飞机当作弹性体，在运用飞行动力学方程计算运动轨迹的同时，针对每个时刻，对飞机的迎角升力线斜率、升降舵升力线斜率、俯仰角速度升力线斜率、迎角俯仰力矩导数、升降舵操纵导数以及俯仰角速度俯仰力矩导数进行气动弹性修正，给升降舵一个阶跃输入，计算出弹性飞行情况的飞行轨迹，并与刚体飞行情况对比，从而说明气动弹性对飞机飞行轨迹的影响。     

考虑弹性效应的乘波体纵向动力学特性研究

为满足长航程及高速飞行需求，乘波体外形越来越趋于扁平化、细长化，导致其在气动载荷作用下会出现显著的气动弹性效应。通过计算流体力学/计算结构力学/刚体动力学（CFD/CSD/RBD）耦合方法求解流动控制方程和飞行动力学方程，系统研究了不同结构刚度和来流条件下弹性效应对乘波体配平特性和动力学稳定性的影响。研究结果表明：随着结构刚度降低，乘波体配平迎角增大，配平升阻比下降，其主因是弹性变形导致气动中心前移，静稳定性降低；来流马赫数和结构变形对乘波体静稳定性的作用效果相反，且后者的减弱效果占主导作用；整体而言，刚弹耦合效应使乘波体俯仰动稳定性下降，且不同刚度下俯仰动导数随来流马赫数的变化趋势也不相同。     

弹性飞机纵向稳定性分析

本文讨论弹性飞机的纵向稳定性问题。包括带与不带飞行控制系统两种情况。文中通过算例,分析讨论弹性飞机的总体运动模态和弹性运动振型之间的藕合以及弹性飞机本身和飞行控制系统之间的耦合。分析与计算表明,带有飞行的控制系统的飞机,其结构弹性变形运动对纵向稳定性的影响,即使对于算例中的“小”飞机,也是不可忽视的。飞机的弹性影响,不但会降低飞机的飞行品质,有时还会引起飞机与系统之间的耦合不稳定。     

倾转旋翼机模型线性化及稳定性分析

在建立倾转旋翼机非线性动力学方程的基础上,推导了线性模型系数矩阵中各元素的求解式。利用各模式下的配平结果,计算了相应的线性化模型。通过对线性化模型系统矩阵特征值的分布情况,分析了倾转旋翼机的本体稳定性。给出的线性化方法通用性强,适合于任意飞行状态下线性模型的计算。     

Aeroservoelastic stability analysis for flexible aircraft based on a nonlinear coupled dynamic model

A unified theoretical aeroservoelastic stability analysis framework for flexible aircraft is established in this paper. This linearized state space model for stability analysis is based on nonlinear coupled dynamic equations, in which rigid and elastic motions of aircraft are both considered. The common body coordinate system is utilized as the reference frame in the deduction of dynamic equations, and significant deformations of flexible aircraft are also fully concerned without any excessive assumptions. Therefore, the obtained nonlinear coupled dynamic models can well reflect the special dynamic coupling mechanics of flexible aircraft. For aeroservoelastic stability analysis, the coupled dynamic equations are linearized around the nonlinear equilibrium state and together with a control system model to establish a state space model in the time domain. The methodology in this paper can be easily integrated into the industrial design process and complex structures. Numerical results for a complex flexible aircraft indicate the necessity to consider the nonlinear coupled dynamics and large deformation when dealing with aeroservoelastic stability for flexible aircraft.     

先进战斗机纵向飞行特性与放宽静稳定度研究

放宽静稳定度在先进战斗机设计领域已获得广泛应用,与其相关的主动控制技术仍有进一步研究的价值,需要对放宽静稳定度对飞机纵向飞行性能的影响进行更全面的分析。以重心后移作为放宽静稳定度的方式,分析放宽静稳定度与某型战斗机俯仰力矩系数的关系,构建战斗机非线性模型并进行开环特性分析,在此基础上,分析放宽静稳定度对飞机运行平衡点的影响机理,对战斗机非线性模型进行线性化,并分析放宽静稳定度对飞机纵向线性模型阶跃响应特性和长短周期模态特性的影响。结果表明：放宽静稳定度可增大战斗机的俯仰力矩系数,提高飞机性能,但可能会使飞机本体模态特性变差,需要在设计控制率时予以考虑。     

飞行器失稳平面振荡运动的物理机制

基于全局亚迭代耦合求解非定常流体动力学方程和刚体动力学方程(CFD/RBD),研究动不稳定飞行器在自由俯仰与自由沉浮二自由度下自激发平面失稳运动的非定常特征。数值研究表明:超声速锥-柱-裙飞行器的平面失稳运动发展为极限环形式,并伴随着波系结构非定常变化;平面运动保持了自由俯仰基本运动特征,但同步自由沉浮使得极限环周期运动的振幅更小、频率更快;平面自由运动中飞行器绕靠近头部的"不动点"转动。基于第二拉格朗日方程和虚功原理,导出能够描述迟滞现象的参数化非线性动力学模型。多尺度近似分析(MTS)获得参数化运动特征:自激振动过程是拟简谐运动;平衡点阻尼是决定运动稳定特性的分叉参数;振幅特性与阻尼非线性相关,频率特性与刚度非线性相关;模型分析证实了平面自由运动的"不动点"现象并自洽地解释了沉浮自由度存在使得极限环振幅变小的动力学机制。非线性模型的理论分析、重构都与数值结果高度一致,从而有效地佐证了自激振荡建模研究的合理性。     

On the stability of flexible aircraft

The problem of aircraft stability has been a subject of concern since the beginnings of flight. Traditionally, aircraft stability has been treated within the confines of two separate disciplines, namely, flight dynamics and aeroelasticity. Based on some recent developments in the dynamics and control of flexible aircraft, this investigation uses the system concept to provide a broader approach to aircraft stability in an attempt to bridge the gap between stability as understood in flight dynamics and stability as envisioned in aeroelasticity. To this end, stability is studied in the following four cases: 1) dynamics of whole flexible aircraft using the unified formulation, 2) flight dynamics of quasi-rigid aircraft (aircraft treated as rigid), 3) aeroelasticity of flexible components, such as cantilever wing, cantilever horizontal stabilizer, etc., and 4) aeroelasticity of restrained flexible aircraft (aircraft fixed to a point, hence, having no rigid body degrees of freedom). The paper also presents a method to address the stability of flexible aircraft when the compressibility correction factor is known only at some discrete Mach numbers.     

六自由度飞行实时仿真和功率谱法比较

大气紊流是飞机巡航状态中影响飞机运动的主要大气扰动现象,以奖状飞机和波音747为例,研究飞机受大气紊流影响所产生的飞行姿态变化。使用了两种方法进行飞行仿真,一种是基于六自由度飞行力学方程的实时仿真法,另一种是基于线性化小扰动方程组的响应频谱法。通过与试飞数据进行比较,分析两种方法的优缺点。研究表明,六自由度飞行实时仿真可以更好地模拟大型飞机大气扰动下的飞行状态,较准确地表征各项参数变化特性。