不确定性颤振风险定量分析

 针对小风险颤振定量分析,提出一种概率鲁棒颤振初步分析方法。该方法结合鲁棒颤振分析和概率颤振分析,针对不同层次风险和不确定性水平提供颤振边界特性全面信息,给决策制定提供更好参考。在鲁棒颤振分析中,采用振型迭代的方法,通过结构奇异值( μ )分析和特征值求解得到零风险的鲁棒颤振临界速度。在概率颤振分析中,采用标准蒙特卡罗模拟(MCS)方法得到较大风险时的颤振速度分布和概率临界速度。采用概率比较和二分法估计概率鲁棒颤振不确定度半径和概率鲁棒颤振临界速度,同时采用样本重新利用的随机方法估计颤振风险和不确定性定量关系。通过一个考虑集中质量不确定性的大展弦比双梁式机翼的颤振计算分析表明,确定型μ方法只能用于零风险颤振分析,标准的MCS方法只能用于较大风险颤振速度分布问题。概率鲁棒颤振分析结果表明增加1%颤振风险可以使不确定度半径增大62%或颤振速度边界增大5%,从而放宽了设计要求。     

考虑物理参数摄动的静气动弹性鲁棒分析

为了研究静气动弹性系统在不确定性摄动下的稳定性和性能,建立了一种考虑物理参数摄动的静气动弹性鲁棒分析方法。从静气动弹性系统的物理方程出发,应用摄动理论和线性分式变换推导了由物理参数摄动引起的广义刚度、结构模态和广义定常气动力的摄动模型,然后得到了静气动弹性系统不确定性模型。将结构奇异值μ分析推广应用于静气动弹性鲁棒性分析。以一大展弦比长直机翼为例,分析了机翼前梁的材料弹性模态受到一定摄动时的鲁棒静发散稳定性和静气动弹性变形性能。数值结果验证了该方法是准确有效的。     

一种新的气动弹性鲁棒稳定性分析方法(英文)

Air vehicles undergo variations in structural mass and stiffness because of fuel consumption and the failure of structural components, which might lead to serious influences on the aeroelastic characteristics. An approach for aeroelastic robust stability analysis taking into account the perturbations of structural mass and stiffness is developed. Applying the perturbation method and harmonic unsteady aerodynamic forces, the frequency-domain linear fractal transformation （LFT） representation of perturbed aeroelastic system is modeled. Then, the robust stability is analyzed by using the structured singular value ,u-method. The numerical results of a bi-spar wing show its effectiveness and low computational time in dealing with the robust problems with mass and stiffness perturbations. In engineering analysis for solving aeroelastic problems, the robust approach can be applied to flutter analysis for airplane with the fuel load variation and taking the damage conditions into consideration.     

考虑气动不确定性的气动弹性系统模型确认

研究了机翼气动弹性系统的不确定性建模及其模型确认问题。结构的不确定性考虑为参数形式,气动力的不确定性分为未建模动力学和参数不确定性两种形式进行讨论。建立不确定气动弹性系统的线性分式变换（LFT）模型,给出了频域的模型有效性检验方法,对有效模型集进行参数化并将不确定性幅值最小的模型集求解归结为优化问题。在建模中计入了实际存在的、未知但能量有界的外扰和噪声的影响,降低了结果的保守性。最后,根据模型确认的结果,使用结构奇异值μ 分析方法进行不确定系统的鲁棒颤振分析。仿真计算结果表明了模型确认方法的有效性。     

Recent advance in nonlinear aeroelastic analysis and control of the aircraft

A review on the recent advance in nonlinear aeroelasticity of the aircraft is presented in this paper. The nonlinear aeroelastic problems are divided into three types based on different research objects, namely the two dimensional airfoil, the wing, and the full aircraft. Different non- linearities encountered in aeroelastic systems are discussed firstly, where the emphases is placed on new nonlinear model to describe tested nonlinear relationship. Research techniques, especially new theoretical methods and aeroelastic flutter control methods are investigated in detail. The route to chaos and the cause of chaotic motion of two-dimensional aeroelastic system are summarized. Var- ious structural modeling methods for the high-aspect-ratio wing with geometric nonlinearity are dis- cussed. Accordingly, aerodynamic modeling approaches have been developed for the aeroelastic modeling of nonlinear high-aspect-ratio wings. Nonlinear aeroelasticity about high-altitude long- endurance （HALE） and fight aircrafts are studied separately. Finally, conclusions and the chal- lenges of the development in nonlinear aeroelasticity are concluded. Nonlinear aeroelastic problems of morphing wing, energy harvesting, and flapping aircrafts are proposed as new directions in the future.     

Match Point Solution for Robust Flutter Analysis in Constant-Mach Prediction

This paper presents a method for robust flutter computation which uses flight altitude as the perturbation variable in order to obtain a match point solution. The air density and sound speed of standard atmosphere model are approximated as the polynomial function of altitude, such that the flight altitude becomes the single perturbation variable that describes the aeroelastic system. The uncertainties of generalized stiffness and damping are considered and the uncertain aeroelastic system can be formulated as linear fractional transformation （LFT） representation which is suitable for/.t analysis framework. Finally, the match point solutions of robust flutter margins can be computed with structured singular value （SSV） theory. The robust flutter analysis method provided in this paper is suitable for constant-Mach flight flutter test and provides valuable reference for flight envelope expansion.     

高超声速飞行器气动弹性力学研究综述

高超声速飞行器设计上的特点带来了一系列的气动弹性新问题。本文回顾高超声速飞行器气动弹性研究的历史与现状,着重介绍和分析了高超声速非定常气动力计算方法、热环境下的气动弹性问题、壁板颤振、推力影响下的气动弹性稳定性问题以及气动推进/气动弹性耦合的多学科交叉问题,相关的主动控制方法的研究进展亦有所介绍。在已有气动弹性问题研究发展的基础上,提出了高超声速飞行器在气动弹性领域需要解决和关注的若干问题,包括高超声速气动弹性试验、燃料消耗的质量变化对于飞行器气动弹性特性的影响以及气动弹性力学与飞行力学综合等方面。     

直升机的气动弹性问题

直升机的气动弹性问题与固定翼飞机不同,不仅要考虑单片桨叶,更要将旋翼视为一个整体,考虑其动态入流、尾迹影响以及旋翼与机身之间的相互耦合等。就单片桨叶而言,在结构动力学上,需要考虑离心力场、几何非线性以及桨叶的非线性挥舞-摆振-扭转耦合;在气动力上,需要考虑动态入流以及桨尖处可能的失速效应,本质上属于非线性气动弹性力学范畴。由于旋翼气动力通常是以周期形式通过旋翼轴传给机身,并引起机身振动,而机身运动又通过改变桨叶根部形态反过来影响旋翼的气动弹性特性,这种旋翼/机身耦合问题,也是近年来直升机气动弹性问题研究中的重要方向和热点之一。此外,随着旋翼流场数值分析方法的日趋成熟,采用动态重叠网格或滑移网格方法来实现桨叶运动,并通过动网格技术来实现桨叶的弹性变形,从而实现弹性旋翼流场的数值模拟,目前正呈现出勃勃生机,成为直升机气动弹性研究的又一重要方向和热点。随着各种新构型直升机的相继出现,如倾转旋翼机、前行桨叶概念旋翼(ABC)直升机和复合式直升机等,也带来了新的气动弹性问题。不断发现问题、解决问题,推动本学科持续发展,永远是气动弹性工作者终身奋斗的目标。     

带集中非线性的机翼气动弹性问题研究进展

带集中非线性环节的机翼非线性气动弹性问题是飞行器气动弹性研究领域的热点和难点。经过近几十年来的不断发展,这类机翼非线性气动弹性问题的研究已经取得了长足的进步,同时也面临着新的挑战。鉴于此,综述了近年来带集中非线性环节的机翼非线性气动弹性问题的研究进展,阐述了带集中非线性的机翼气动弹性分析的建模方法、分析方法及非线性气动弹性稳定性和响应行为的规律,并讨论和总结了相关的研究成果,对今后机翼非线性气动弹性问题的分析方法和研究内容提出了展望。     

航空发动机结构参数和非结构参数不确定系统鲁棒H∞输出反馈控制

分析了航空发动机混合不确定性系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能;引入结构奇异值μ综合法,研究了结构参数和非结构参数混合摄动下的鲁棒H∞输出反馈控制;对航空发动机不确定性系统设计的控制器在双转子涡喷发动机气动热力学非线性模型上。      

一种高效高精度的气动弹性结构优化方法

气动弹性结构优化技术主要包括约束求解和优化算法两个方面的内容。针对常用的基于低阶面元法的静气动弹性分析方法计算效率高但精度低的特点,建立了一种高效高精度的基于高阶面元法的静气动弹性分析方法。针对当前气动弹性结构优化技术使用单一优化算法导致搜索精度低、收敛速度慢等特点,将遗传算法和分形算法进行结合,发展了一种遗传/分形混合算法。针对气动弹性结构优化计算时间长、设备要求高等特点,引入了Kriging代理模型方法来加快优化速度,减少时间和设备的耗费。最后以某大展弦比客机机翼为算例,采用基于高阶面元法的静气动弹性分析方法求解约束响应样本,用Kriging代理模型方法对约束响应进行模型构建和预测,并将Kriging代理模型和遗传/分形混合优化算法进行结合,构建了一种高效高精度的静气动弹性结构优化方法。优化分析结果表明,Kriging代理模型在静气动弹性响应预测上具有很高的精度,平均误差均在5%以下,副翼效率预测的平均误差甚至低于1%;遗传/分形混合算法相比于单一的遗传算法具有更快的收敛速度和更强的全局寻优能力。     

航空发动机多变量 PI 型鲁棒控制器

首先用奇异值分解法,将航空发动机不同平衡点的小偏离线性模型统一为一个具有结构参数扰动的线性模型,然后应用鲁棒H∞控制理论及PI型H∞控制设计技术,设计了PI型鲁棒串级控制器,实现了低压转速和涡轮后温度同时保持常数的双变量发动机调节方案。最后采用某型双转子涡喷发动机气动热力学非线性数字模拟器,对所设计的控制器进行了仿真评估,结果表明控制系统具有良好的动态响应及鲁棒稳定性。     

一种CFD/CSD耦合计算方法

针对柔性大展弦比机翼气动弹性分析和主动弹性机翼(AAW)设计发展了一种计算流体动力学(CFD)和计算结构动力学(CSD)的耦合计算方法。其主要思想是采用在同一物理时间弱耦合求解CFD/CSD技术。气动力采用非定常N-S方程的双时间有限体积求解技术,结构响应则采用有限元数值求解技术。CFD和CSD耦合计算的边界信息(气动力和网格)由所设计的界面程序传输。网格信息传输采用守恒体积转换(CVT)方法将CSD计算结构响应位移插值到CFD网格点上。变形已有的CFD网格技术用以确定CFD的变形网格。以位移或载荷的迭代误差为判断耦合计算的收敛标准。最后得到了机翼在Ma=0.8395,α=5.06°时CFD/CSD耦合计算的收敛值。针对计算结果分析了机翼受静气动弹性过程中结构响应和气动特性随时间变化的效应。初步研究结果表明:这种弱耦合方法求解非线性气动弹性问题是可行的。     

基于Broyden法的旋翼多体系统气动弹性分析

建立了旋翼多体系统气动弹性模型并给出了一种适合于该模型响应计算的数值计算方法。采用柔性多体系统动力学方法建立旋翼气动弹性模型,利用驱动约束显著简化约束方程形式,集成大变形桨叶模型,准确考虑变形的非线性,适合于对采用柔性结构的先进旋翼进行气动弹性分析。基于Broyden法改进隐式积分法积分一步中非线性方程的求解,避免求取切线矩阵和矩阵求逆运算,保持隐式积分法具有较好稳定性的同时提高计算效率,解决了旋翼多体系统气动弹性力学方程隐式表达且具有较强非线性和较高刚性比造成的响应计算困难。通过模型旋翼桨叶响应计算验证了结构模型与气动弹性响应求解方法。采用建立的气动弹性模型计算悬停和前飞状态旋翼气动弹性稳定性,与试验结果对比验证了模型的正确性。研究了不同的稳定性计算方法、桨叶结构模型和入流模型等对悬停和前飞稳定性计算的影响,结果表明本文所采用的结构、气动模型及气动弹性稳定性计算方法提高了气动弹性稳定性分析精度。     

Damage-mitigating control of aircraft for enhanced structuraldurability

The concept and a design methodology for robust damage-mitigating control (DMC) of aircraft is presented. The goal of DMC is to simultaneously achieve high performance and structural durability and the design procedure is based on damage mitigation at critical structures and retention of the flight performance. An aeroelastic model of the wings has been formulated and is incorporated into a nonlinear rigid-body model of aircraft flight-dynamics. Robust damage-mitigating controllers are then designed using the H_∞-based structured singular value (μ) synthesis method based on a linearized model of the aircraft. In addition to penalizing the error between the ideal performance and the actual performance of the aircraft, frequency-dependent weights are placed on the strain amplitude at the root of each wing, Using each controller in turn, the control system is put through an identical sequence of maneuvers, and the resulting (varying amplitude cyclic) stress profiles are analyzed using a fatigue crack growth model that incorporates the effects of varying-amplitude cyclic loading. Comparisons are made to determine the impact of different strain-amplitude weights on the resulting flight performance and fatigue crack damage in the wings. The results of simulation experiments show significant savings in fatigue life of the wings while retaining the dynamic performance of the aircraft     

结构的概率-非概率混合可靠性模型

将影响结构可靠性分析的不确定性因素用概率和非概率两种方式模拟。并基于结构可靠性分析中的概率可靠性模型和非概率集合可靠性模型,提出一种新的结构可靠性分析的概率-非概率混合模型。该模型首先通过将功能函数进行非概率可靠性分析,然后将标准化区间变量空间所有区域的可靠度进行求和计算,从而给出结构的可靠度。并根据相同的不确定信息,由混合可靠性模型与概率可靠性模型得到的结果是相等的,证明了方法的有效性。最后,通过一个典型结构和一个机翼下壁加筋板与传统概率可靠性模型进行比较,表明该混合模型对于结构的分析和设计更为合理,能够更好地保证结构的安全性。     

航空发动机套齿动态装配间隙非概率优化设计

为解决航空发动机套齿动态装配间隙的响应问题,在考虑动态变形和参数不确定性的情况下,将1种非概率区间分析方法与Kriging响应面模型及响应面优化方法相结合,对套齿初始装配间隙进行了可靠性优化设计。以某刚性套齿联轴器作为数值算例,在确定性设计的基础上,考虑机械载荷、热载荷、材料参数的分散性,运用区间分析方法得到了动态装配间隙的响应范围,利用非概率可靠性指标对初始装配间隙进行了优化设计。与确定性设计相比,优化设计提高了结构的可靠性;与概率设计相比,优化设计降低了对不确定参数的信息要求。验证了非概率方法解决装配对象不确定性结构响应问题的可行性与适用性。     

二阶时间精度的CFD/CSD耦合算法研究

非线性气动弹性分析中,涉及到非线性流体动力学(CFD)和非线性结构动力学(CSD)的耦合计算问题。本文分析比较了目前几种耦合算法:全耦合、松耦合和紧耦合,并从耦合边界能量传递守恒上就松耦合及紧耦合方法进行了时间精度的分析,得出传统松耦合中即使流体和结构子系统达到高阶时间精度,耦合算法的时间精度仍仅为一阶,紧耦合方法虽然可以达到二阶时间精度,但没有明显提高计算效率。随后,本文基于松耦合流程改进了耦合格式,分析表明其具有二阶时间精度,通过AGARD445.6机翼颤振模型的算例验证,说明该方法可以在保证计算精度的基础上明显提高计算效率,并保持了传统松耦合方法模块化的优点,在模拟非线性气动弹性问题时具有很高的优越性。     

惯性释放在飞行器静气动弹性仿真中的应用

介绍了惯性释放理论以及基于CFD/CSD耦合的静气动弹性计算方法,比较了静气动弹性计算中的三种系统载荷平衡方法。三种方法的计算结果分析表明,在气动弹性计算中应用惯性释放方法能够降低施加模型约束的难度,提高模型描述的准确性及仿真计算精度。     

基于径向基函数的网格变形及非线性气动弹性时域仿真研究

为开展非线性气动弹性研究,基于非线性结构有限元软件NASTRAN和自主研制的多块结构化计算流体力学(CFD)求解器,开发了一套基于计算流体力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合求解方法的气动弹性时域仿真程序.该程序采用径向基函数(RBF)交换两套求解器之间的数据并进行网格变形.为提高RBF方法的效率,构造了基于多次插值的空间待插值点精简算法.在多次插值过程中,每次插值的对象为上次插值的误差,并同时限制插值区域,以此实现了空间待插值网格数的精简.数个网格变形的算例表明该方法可支持大变形运动,并且具有较高的计算效率.采用此程序开展了AGARD 445.6机翼颤振计算、大展弦比机翼的静气动弹性计算与切尖三角翼极限环振荡(LCO)现象的动气动弹性仿真,结果揭示了当机翼展弦比较大或者响应幅值较大时,结构非线性对于气动弹性有显著影响.