基于CFD/RBD方法的旋转弹轨迹仿真

旋转弹在飞行过程中,由于表面气动载荷分布不对称,可能会出现耦合共振、灾难偏航等现象,使导弹飞行失常偏离目标。针对此类问题,采用非定常N-S方程和刚体动力学方程耦合求解的方法,仿真旋转弹飞行轨迹。非定常气动力计算使用非结构混合网格N-S方程求解程序HUNS3D,刚体六自由度运动方程采用改进的四阶Adams预估校正法求解。将这种耦合求解方法应用于美国ARL旋转弹试验模型的轨迹仿真,并将计算得到的旋转弹姿态角、空间位置和气动力与相关文献进行对比分析,结果表明:本文方法能较精确地仿真旋转弹的飞行轨迹。     

旋转弹气动力建模与飞行轨迹仿真

运用一种自回归滑动平均(ARMA)的时域气动力建模方法,以计算流体力学与刚体动力学(CFD/RBD)耦合仿真的输出结果为样本,对旋转弹的非定常气动力进行建模。利用建立的气动力模型与刚体动力学方程求解模块耦合,实现了旋转弹轨迹的快速仿真,并讨论了不同的建模方式对仿真精度的影响。算例结果表明:采用气动力模型与刚体动力学方程耦合仿真技术可以在不同初始发射条件下进行旋转弹飞行姿态与运动轨迹预测,且与CFD/RBD仿真结果吻合较好,证明ARMA气动力建模方法可以在保证旋转弹轨迹预测精度的同时大幅缩短仿真时间,节省计算资源。     

基于预估校正和嵌套网格的虚拟飞行数值模拟

 针对导弹虚拟飞行数值模拟问题,发展了空气动力学/飞行力学数值计算方法和软件。控制方程为非定常雷诺时均Navier-Stoker(RANS)方程和刚体六自由度运动方程;流场求解器为有限体积法结构网格求解器,时间推进采用双时间步法,湍流模型为Spalart-Allmaras一方程模型;采用Adams预估校正法实现飞行力学方程与流场控制方程的耦合计算;使用嵌套网格方法模拟多体运动。首先模拟了美国国家航空航天局(NASA)窄条翼导弹模型纵向虚拟飞行,研究耦合方式和时间步长的影响。仿真结果表明,双时间步三阶Adams耦合方法,同等精度下可以显著增大时间步长,缩短仿真时间。最后,采用该方法模拟了导弹自由摇滚特性和纵向虚拟飞行,模拟结果与试验值吻合较好。     

考虑约束的机载导弹导轨发射数值模拟

采用计算流体动力学和刚体动力学模型耦合求解的方法,对导轨发射的机载导弹分离过程进行了模拟,导弹运动过程包含了双(多)吊挂约束、单吊挂约束和自由运动三个阶段,为了模拟单吊挂约束状态下导弹的运动,在刚体六自由度运动方程基础上,发展了约束形式的刚体动力学模型,通过计算刚体自由转动(欧拉陀螺)和旋转刚体的进动(拉格朗日陀螺)两个算例,得到与理论解吻合的计算结果,验证了运动模型的正确性。在此基础上,对某机载导弹的发射过程进行了数值模拟,模拟中根据后挂点所处不同位置分别采用直线运动、单铰链约束和六自由度运动模型。通过数值仿真,获取了发射过程的运动轨迹和姿态变化,结果表明中等攻角下翼吊导弹受到横向洗流的作用,产生较大的侧向力和偏航力矩,导致导弹发生横滚产生弹架干涉。单吊挂约束下导弹俯仰运动受到法向气动力、重力以及法向过载的作用,严苛条件下可能引起弹架干涉。     

导弹空中挂飞分离试验仿真计算

导弹设计时必须考虑其投放过程中与载机分离时的安全性问题.利用计算机数字仿真技术进行导弹分离安全性分析是一种非常经济、有效的方法.在某型导弹挂飞试验中,我们以Euler方程和刚体六自由度运动方程为理论基础,完成了对该某型导弹在试验选定的各种速度、迎角下的投放分离轨迹进行了计算仿真,取得了非常满意结果,载机实际试飞验证表明,试验数据与理论计算结果十分吻合.该结果也证明了Euler方程和刚体六自由度运动方程在工程应用上是非常有效的,特别是对于具有一定长细比结构体的空中运动轨迹分析计算是非常适用的.     

基于Kane方法的双旋弹飞行动力学建模及仿真

针对双旋弹飞行动力学建模,提出了基于Kane方法建立树形多刚体系统动力学方程的方法.分析了双旋弹后体和前体的运动,并分别建立了其动力学方程,综合得到了双旋弹的七自由度飞行动力学方程.基于四元数转换,建立了双旋弹转动运动学方程.通过编程对双旋弹的无控和有控运动特性进行了仿真分析.结果表明,双旋弹无控时以小迎角稳定飞行;有控飞行时弹体产生配平迎角,且纵向和横向修正会出现交叉耦合.     

绳系并联支撑飞机模型绕速度矢量旋转运动设计与模拟

绕速度矢量旋转运动风洞试验是研究战斗机尾旋和大迎角复杂机动特性的一种重要手段，其中模型支撑是关键。创新性地设计了基于六自由度绳系并联支撑的旋转运动方式。提出定旋转角速度和定气流角2种旋转运动设计方法，推导得到旋转运动参数与模型位姿之间的关系式，并给出两者的关联；结合支撑系统动力学模型，设计绳长为控制变量的计算力矩控制律。通过ADMAS软件仿真和原理样机试验验证，结果表明所提设计方法可以实现飞机模型绕速度矢量变气流角定速率、定气流角变速率等复杂变参数旋转运动，且定气流角方法既能满足三自由度定耦合比关系，还能准确地模拟战斗机正飞/倒飞尾旋运动，这将为深入研究尾旋和大迎角机动特性提供技术支持。     

基于闭环控制的带翼导弹虚拟飞行数值模拟

通过耦合求解非定常Navier-Stokes方程、刚体六自由度（6DOF）运动方程及舵偏控制律,发展了一套虚拟飞行数值模拟平台,对基本带翼导弹外形进行了虚拟飞行数值模拟研究。流场求解采用基于结构网格的有限体积法,时间推进采用双时间步法,使用刚性重叠动网格技术模拟舵与弹身的相对运动,采用四阶Runger-Kutta方法求解运动方程组,舵偏控制律采用基于比例-积分-微分（PID）的反馈控制。模拟结果表明：发展的虚拟飞行数值模拟平台能够处理包含复杂运动边界的非定常运动问题,可以为非定常气动力建模提供数据、预示飞行器稳定性及检验飞行控制律,该模拟平台具备一定的工程应用价值。     

飞机外挂物投放安全性的参数影响分析

研究了飞机在不同飞行高度、速度和姿态下,不同外挂物质量对投放安全性的影响。采用CFD方法计算外挂物所受气动力,通过六自由度刚体动力学方程计算外挂物的投放轨迹和姿态变化。准定常方法在计算外挂物下落轨迹的每个步长内,认为外挂物和载机都处在定常流场中,载机在投放过程中保持原有运动状态。通过算例给出了典型外挂物在不同速度、高度、姿态下投放的运动轨迹,分析了对安全投放有重要影响的因素,提出了减少外挂物投放风险的建议。     

基于全量运动微分方程的飞机飞行系统仿真

飞行系统仿真是飞行模拟器仿真的重要组成部分.飞行系统数学模型中的运动方程模型可以分为小扰动模型和全量运动微分方程模型.由于小扰动模型不能模拟飞机的全部运动状态,所以研究基于全量运动微分方程模型的飞行系统仿真是必要的.介绍了飞机气动力/力矩计算公式和飞机全量运动微分方程以及在飞行系统仿真中飞机气动力/力矩计算和全量运动微分方程解算所要用到的主要算法公式.针对飞机全量微分方程的解算,较详细介绍了一种改进的变步长Runge-Kutta方法并应用该方法进行了飞机定直平飞无操纵小扰动情况下的仿真.结果表明,该数值方法运行稳定,精度也能达到要求.     

弹体穿越平面激波三维非定常流场的数值模拟

用数值方法求解三维非定常可压缩Navier-Stokes方程，计算了复杂弹体在相同马赫数、不同迎角下的流场和气动力特征，计算结果与实验结果吻合，证明本文采用的方法能够准确计算此类复杂流场；然后采用该方法模拟了弹体穿越正激波的非定常过程，得到了弹体周围流场及气动力特征随穿越过程的非定常变化，阻力特征穿越后急剧下降。     

高速飞行弹箭目标表面动态热辐射

针对红外系统实时跟踪捕获高速飞行弹箭目标的关键问题,提出了一种用于求解其全弹道动态红外辐射（IR）特性的方法.以典型155mm口径无控弹箭为研究对象,基于Simulink建立了模块化的6自由度(DOF)刚体弹道仿真模型,数值计算并分析了弹道诸元的变化规律.应用热网络法建立了弹体表面耦合换热动态热辐射场的物理模型,推导了弹箭高速旋转飞行的气动加热计算模型,并利用蒙特卡洛(M-C)法考虑了环境热辐射的影响.运用Runge-Kutta法耦合求解节点热平衡方程组,得到了动态气动表面传热系数、温度场以及红外辐射场的分布规律,对比分析了目标在整个飞行过程、不同部位、不同波段内的红外辐射特征.结果表明:目标发射后,其表面温度迅速升高,越靠近弹头部,温度升高速率越快,峰值温度越高；在飞行前20s内,其红外辐射特征明显；随着飞行速度衰减,热量散失较快,辐射强度较弱,且主要集中于8～14μm波段.      

用非结构动网格方法模拟有相对运动的多体绕流

发展了用于模拟有相对运动的多体非定常绕流，并计算由流场决定的外弹道的数值方法。该方法采用非结构动网格，显式NND有限体 格式，求解非定常Euler方程，并耦合了刚体动力学方程，作为例证，计算了俯仰振动的NACA0012翼型绕流，计算结果与实验及文献结果吻合，最后，整个策略用于计算二维机翼－外挂物分离流场，并确定了外挂物下落轨迹。     

弹丸旋转空气动力效应非定常数值模拟

准确计算马格努斯力和力矩对旋转弹箭设计、弹道计算和稳定性研究都至关重要。采用非定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程对高速旋转的SOCBT弹丸进行了数值模拟,纵向气动特性在整个攻角范围内都较好地与试验值保持一致,而侧向气动特性马格努斯力和力矩在小攻角范围与试验数据吻合较好,在大攻角范围却存在一定的差异。采用延迟分离涡模拟(DDES)方法的计算结果有较为明显的改善,对比研究表明分离点位置对马格努斯效应有着显著影响。表明DDES方法对于提高旋转弹箭马格努斯效应的数值模拟精度有较大的潜力。     

基于网格测力数据的多体分离轨迹预测方法研究

将基于风洞网格测力试验数据建立的气动力模型与刚体运动方程进行耦合求解得到多体分离轨迹-时间特性，建立了一种多体分离的离线轨迹预测方法。为了提高气动力模型的预测精度，针对移动最小二乘法（MLS）模型提出一种新的权函数形式，针对Kriging气动力数学模型通过加入样点预处理提出了Kriging-Pre数学模型。研究方法应用于来流马赫数6条件下，某并联两级入轨飞行器标模的分离特性研究。研究表明采用改进的两种气动力数学模型均可有效提高分离轨迹预测精度，得到与CFD以及风洞试验定性一致的结论。验证了本文提出的离线轨迹预测方法可以满足当前多体分离特性定性分析需求，具有较高时效性。     

Calculation of the transonic dip of airfoils using viscous-inviscid aerodynamic interaction method

A numerical procedure for the calculation of the transonic dip of airfoils in the time domain is presented. A viscous-inviscid aerodynamic interaction method is taken to calculate the unsteady aerodynamic loads. In the present case the integral boundary layer equations are coupled with the Transonic Small Disturbance (TSD) Potential Equation. The coupling between structural motion and aerodynamic loads is carried out using State Space equation. It is solved by State Transition Matrix technique. Results are presented for NACA 64A010 and NLR 7301 airfoils with structural data from Isogai and DLR, respectively. Comparisons show good agreement with other numerical results. Certain deviations of experimental data taken from literature need more insight in the detailed test conditions.     

直升机旋翼非定常气动力及结构动力响应计算

以二维非定常Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程为模型方程,采用Ｊａｍｅｓｏｎ有限体积并引入变系数隐式残值光顺及固接网格计算了直升机旋翼不同展向位置处翼剖面的非定常气动力,进而采用插值的方法模拟直升机在悬停及前飞状态下,旋翼的桨叶所受的非常气动力载荷,并将之与桨叶的结构振动方程相耦合,求解其时域内的结构响应,非定常下气动力计算结果与实验结果做了对比,两者比较吻合,旋翼结构响应计算结果合理。