充气机翼保形设计与气动特性分析

充气机翼是一种典型的柔性充气结构,涉及到变形无人机前沿技术,未来可应用于折叠飞机、科学实验研究飞机、探测火星等其他行星的飞行器。依据内切圆逼近翼型方法,通过静力学进行保形证明,以NACA0018为原型翼型,设计不同内切圆数目逼近的充气机翼,利用CFD方法对所设计的充气机翼进行气动特性分析,研究不同充气机翼的气动特性和优劣性,初步掌握内切圆逼近翼型保形方法的基本性质。最后进行充气机翼的样机制作,并通过飞行试验演示验证充气机翼的飞行性能。结果表明:在低速飞行条件下,充气机翼升力系数较标准翼型有所损失,并且随内切圆数目变化不明显,基本达到标准翼型的80%左右,阻力系数变化较为明显,几乎比标准翼型增加了1.0~1.5倍。     

充气机翼的褶皱与失效行为研究

在经典工程梁理论的基础上,结合张力薄膜的应力状态分析,提出充气机翼褶皱失稳的判据。计入表面薄膜褶皱引起的刚度退化效应,将机翼等效处理为一个变截面刚度的梁,建立了充气悬臂机翼的等效梁模型,并采用微分求积法进行充气机翼弯曲变形分析。计算结果与充气机翼的静力弯曲试验结果相吻合,验证了充气机翼弯曲变形分析方法的有效性。应用片条理论引入气动力模型,并与所建立的等效梁模型相耦合,建立充气机翼的静气动弹性耦合模型,并用迭代算法进行求解。考虑起皱和失稳两种判据,并计算获取了试验机翼的起皱动压和皱褶失稳动压形式,计算结果与风洞试验结果一致。根据所建立的充气机翼静气动弹性分析方法,可以预测充气机翼表面褶皱区的扩展和弯曲变形,进而绘制充气机翼的静气弹许用包线,为充气机翼的设计提供必要的安全边界参考依据。     

复合式垂直起降固定翼无人机旋翼和机翼的干扰分析

复合式垂直起降固定翼无人机是一种兼具多旋翼无人机和固定翼无人机性能的复合式无人机，其创新之处在于阐明了旋翼安装位置对无人机整体性能的影响。针对该类无人机旋翼与机翼之间的相互气动作用比较复杂的问题，本文采用实验和流体仿真两种方法对其气动特性进行分析，初步确定了旋翼的安装方式，并结合无人机的平飞状态进一步确定了旋翼的安装距离。实验及数值模拟结果表明，无人机的旋翼安装在机翼下方比安装在机翼上方效率要高，且旋翼与机翼之间的安装距离对旋翼的升力和无人机的平飞续航性能都有一定影响。     

高雷诺数二维充气机翼构形的气动特性

针对基于二维充气机翼的构形特征进行高雷诺数条件下的气动特性分析.首先通过对二维充气机翼构形特征的设计，建立了描述逼近程度的误差参数和若干模型；进一步运用数值方法，通过与标准翼型的对比，分析充气机翼的气动性能及其误差参数的敏感性.数值结果表明:在高雷诺数条件下，充气机翼的气动性能相对于标准翼型有所降低.同时，结合对流场特征的分析，从机理上解释二维充气机翼与标准翼型气动性能差异形成的原因，即导致总的阻力系数明显增加的主要原因是其凹凸起伏的表面对充气机翼表面压力分布所引起的变化，局部压力升高从而大幅增加了压差阻力.      

表面凹凸充气机翼的气动特性研究

充气机翼在变体飞机和飞艇中具有潜在的应用前景。充气机翼的结构特征与传统硬质机翼显著不同,其外形与传统机翼相比最大的差异在于表面的片条状鼓包,这种外形带来的气动特性、气弹行为等越来越受到人们的关注。以NACA0015翼型为原形,设计制作充气机翼模型,并利用CFX对传统光滑的NACA0015翼型和凹凸表面的0015F2翼型进行定常和非定常气动行为分析。结果表明:充气机翼的凹凸表面外形增加翼型的失速攻角,但其升力线斜率及升阻比都较光滑翼型要小;0015F2翼型的速度梯度过度区大于NACA0015翼型;0015F2翼型在每一个凹槽区生成驻涡,驻涡的存在使得充气机翼的附面层呈现紊流附面层的特性,驻涡的外移改变了机翼后缘的尾涡形成,推迟了分离,使得失速攻角增大。     

充气机翼承载能力和气动特性分析

应用结构力学和材料力学的相关理论分析了一种充气机翼的承载能力,基于充气机翼特性和工程要求分析,确定了充气机翼失效的条件,建立了充气机翼弯曲变形的力学模型,并通过试验验证了该模型的合理性;然后,利用FLUENT 6.3对该种充气机翼翼型进行了气动特性仿真分析,并与相应的标准翼型进行了对比.最后,将三维充气机翼的气动载荷仿真数据导入Patran,对充气机翼在飞行状态下的应力和变形进行了有限元分析.      

轻型无人机复合材料机翼设计分析与验证

基于轻型无人机复合材料的机翼,在选定机翼构件布局、材料和构型,建立机翼结构有限元模型的基础上,计算分析了机翼的静强度、应力分布,并对其进行试验验证。该方法对中小型复合材料无人机结构设计和静强度试验具有一定的参考价值。     

复合材料网格增强充气翼梁的抗弯承载和极限耐压性能研究

本文将网格增强薄膜材料的概念应用到无人机充气翼中,提出了复合材料网格增强充气翼的概念,通过试验测试着重分析了复合材料网格增强充气翼梁的抗弯承载和极限耐压性能。试验结果表明,复合材料网格增强充气梁抗弯承载性能优异,复合材料网格增强充气梁的极限耐压能力提升显著。     

模块化可重构无人机机翼结构优化方法研究

模块化可重构无人机设计工况复杂、约束多样，需要根据不同设计思想的特点研究适用的优化方法才能得到最优方案。本文开展针对多模型的同步优化方法研究，给出不同构型机翼翼根弯矩约束方法，提出多构型机翼结构前后梁弯矩比例约束下的同步优化技术，并以某模块化可重构无人机机翼为对象进行应用验证。结果表明：与文献中模块化机翼优化结果相比，本文多构型机翼结构同步优化方法在解决整机翼更换的模块化可重构机翼结构优化问题时具有很高的适用性和收敛性，以及广阔的工程推广价值。     

斜掠气梁充气翼湿模态分析与试验

参考气动弹性剪裁思想，通过将充气翼内部气梁沿展向偏转一定角度设计一种新型斜掠气梁充气翼。针对充气翼结构动力学特性研究需要对考虑周围空气影响的湿模态进行分析，在考虑空气附加质量影响和流场对于系统刚度贡献的前提下，发展了一种针对柔性充气结构湿模态快速建模分析的附加质量-刚度法。在柔性充气管算例验证了所提方法有效性的基础上，完成了对传统直梁充气翼和斜掠气梁充气翼湿模态的仿真研究，并与地面振动试验（GVT）结果进行对比分析。结果表明，3种充气翼湿模态仿真结果与试验结果均吻合较好，充气翼结构固有频率随充气内压上升而增加，同时相比于传统直梁充气翼，斜掠气梁充气翼第1阶与第2阶模态具有更低的固有频率之比，且弦向模态能够显著消除，对改善充气翼飞行器的气弹性能具有重要意义。     

柔性机翼承载能力的试验与预测

对柔性机翼进行了承载能力的试验及预测研究,首先对柔性机翼的翼型结构进行建模,并对充气机翼的结构进行了分析和优化;其次应用正交试法确定出影响柔性机翼承载能力的主要影响因素,以优化后的结果建立实物模型和主要影响因素为变量进行试验;最后以大量的试验数据为训练样本建立改进的神经网络模型,并进行承载能力预测.试验与预测结果对比研究表明:在初始阶段,柔性机翼在压强一定时,载荷与挠度近似呈线性关系;在同一气压值下,载荷增加到一定值时,载荷与挠度的关系曲线呈近似线性关系,而是斜率突然减小;神经网络测试值和试验实测值最大相对误差与标准方差只有12%和0.39%,人工神经网络解析方法可以用于对充气机翼抗弯刚度的分析.      

排式充气机翼的高效气动布局研究

为了提高充气机翼的刚度特性,需要采用较大厚度的翼型,但厚翼型气动效率整体上又不太高。探讨一种适用于低速充气类飞行器的排式双翼布局方案,并尝试给予后翼一定的初始安装偏转角,同时还研究了双翼相对位置以及翼型特性对该排式双翼布局方案的影响。数值模拟结果表明,后翼前缘驻点附近的高压区增大了前翼下表面的压力,使此种布局较普通单翼布局在中小迎角范围内可以明显提高飞行器的升力和升阻比,其中迎角4°时可将升阻比提高62.8%,而给后翼2°的偏转角可使将升阻比提高幅度达到70.5%。同时,双翼相对位置对飞行器气动性能的影响较为敏感。此外,翼型厚度越大,弯度越小,所提出的排式双翼布局方案提高升阻比的效果越明显。综合效果来看,文中探讨的布局可为充气飞机的设计提供一个新思路。     

倾转旋翼机前飞动力学稳定性分析

倾转旋翼机的机翼端部装有一个可倾转的旋翼.所建立的倾转旋翼机前飞动力学稳定性分析简化模型由一个机翼和一个螺旋桨旋翼组成.机翼承受垂向弯曲、弦向弯曲和扭转变形,螺旋桨旋翼的桨叶认为是刚性的并承受一阶挥舞和摆振.机翼和螺旋桨旋翼的空气动力学载荷由准定常片条理论得到.利用此模型在高入流状态下建立运动微分方程,对倾转旋翼机在前飞状态下的动力学稳定性进行计算,计算结果与Bell公司试验结果基本一致,表明该模型可用于倾转旋翼机的前飞动力学稳定性分析.      

一种复合升力飞机模型的设计与飞行验证

针对一种复合升力飞机,建立了相应的研究模型,通过试验、CFD计算和工程估算的方法,研究了直升机和固定翼状态下的飞机性能特性,并通过制作一架模型验证机,验证了该种飞机飞行原理的可行性,并提出了一些意见。     

贝叶斯正则化BP网络在机翼载荷分析中的应用

采用贝叶斯正则化与BP网络相结合的方法,构造了一个分析飞机机翼载荷的三层BP网络。贝叶斯正则化方法提高了BP神经网络的泛化能力,且能考虑非特征化的非线性影响。使用某型飞机对称机动和滚转机动的试飞实测数据作为载荷激励来训练神经网络,并用这个训练完的网络预测了该飞机机翼的飞行载荷。最后将神经网络预测结果与实测结果进行了比较,结果表明该方法能够准确地实现飞机机翼载荷预测,对新机研制和飞行试验有较高的参考价值。     

倾转旋翼飞行器旋翼对机翼向下载荷计算模型

针对倾转旋翼飞行器悬停和小速度前飞的直升机飞行模式下旋翼下洗流对机翼的气动干扰影响,建立了一个机翼向下载荷的计算模型.该模型中,最关键的是建立旋翼对机翼的气动干扰面积模型.此模型考虑了倾转旋翼飞行器几何尺寸条件、发动机短舱倾转角和飞行状态等参数.最后将此模型集成到XV-15倾转旋翼飞行器飞行动力学模型中,进行配平计算,...     

折叠翼变体飞行器非定常气动特性实验研究

折叠翼变体飞行器是一种可以在飞行中改变自身气动外形的新型飞行器。研制出了一种折叠翼变体飞行器的风洞实验模型,在风洞实验中测得了模型不同变体位置下的气动力以及进行变体运动时气动力的动态变化过程,并通过PIV实验手段获得模型周围的流场在变体运动过程中的变化情况。结果表明：在机翼变形过程中,折叠翼模型有明显的非定常气动现象产生,而且折叠变形的速度越大,非定常现象越明显。出现非定常现象的主要原因是变体运动对机翼前缘涡的影响。     

机翼结冰生命周期的数字孪生软件系统

飞机巡航中的机翼结冰情况是关系到飞行安全的重大实际问题之一,如果能够实时监测甚至根据环境提前预测机翼结冰过程和状况,对改进机翼防除冰设计、规避飞行危险都具有重大意义。数字孪生技术作为5G信息时代中新兴的技术,为物理过程的虚拟呈现提供了新的思路与解决方案、同时数字孪生技术结合人工智能等技术,同样可以应用于飞机巡航中机翼结冰物理过程,对实时监测与预测提供了新的技术保证。从数字孪生的角度出发,以机翼结冰神经网络模型为切入点,设计实现了一款基于数字孪生和人工智能技术的巡航中机翼结冰二维过程快速呈现软件系统。软件获取飞机巡航结冰参数与飞行参数,运行结果能够利用动态显示方式,呈现飞机巡航中机翼结冰全生命周期。