气动伺服弹性研究的进展与挑战

飞机、导弹等飞行器的气动伺服弹性(ASE)问题源于空气动力、结构弹性以及控制系统之间的复杂耦合。随着飞行器朝着结构更轻、速度更快、性能更好的目标发展,该问题日益突出,直接影响飞行安全与性能。经过六十余年的研究,国内外在ASE分析、综合与试验方面取得了卓有成效的进展。近十余年来,若干新问题因非常规构型飞行器设计的发展而暴露出来,对ASE研究施加巨大挑战,值得重点分析。鉴于此,讨论了ASE分析中的刚弹耦合、非线性、推力矢量以及系统辨识等问题,对ASE综合中的阵风减缓、颤振主动控制和ASE优化问题加以阐述,强调了ASE试验中需要重视的技术,简要介绍了近十余年国外代表性的ASE试验项目案例,指出了一些ASE研究的新动向,并对国内的ASE研究给出了建议。     

高速颤振模型设计中颤振主要模态的判断

颤振模型设计时难以实现完全的动力学相似,需要对颤振主要模态进行合理选择。采用数值分析方法,对颤振模型设计时主要模态的选取问题进行研究。通过各阶模态振型下气动刚度系数的比较、指定运动形式下广义非定常气动力的计算和不同模态截断下颤振结果的收敛特性分析,研究了颤振分析时不同模态运动之间的相互影响,对模态运动引起的气动力和颤振特性变化进行评估。以高超翼面模型为研究对象的数值算例结果表明,几种分析方法所判断的颤振主要模态基本一致。其中基于振型的广义气动刚度系数参数,避免了非定常气动力的计算,可作为颤振模型设计或颤振分析时主要模态选取的快速判断方法。     

基于CFD/CSD耦合的叶轮机叶片失速颤振计算

为了研究叶轮机叶片的失速颤振特性,发展了一种计算流体力学与计算结构力学(CFD/CSD)时域耦合方法。该方法通过每一物理时刻CFD和CSD的循环迭代实现了耦合计算。在CFD分析中,采用鲁棒性较好的空间离散格式AUSM+-UP,并基于延迟脱体涡模型(DDES)模拟了带分离流动。在结构分析中,通过模态法构建了旋转叶片动力学方程并运用杂交多步方法进行求解。以孤立转子Rotor37为例,计算了不同工况下流场总体与细节参数,与实验结果的对比验证了CFD算法的精度。对某转子叶片进行了颤振特性研究,计算所得的广义位移时间响应曲线表明该叶片在近失速工况下会发生失速颤振,其表现形式为一阶弯曲模态发散且各阶模态之间不耦合。分析表明,流场不稳定和非定常效应是引起失速颤振的关键因素,同时折合频率的降低也会导致原本气动弹性稳定的叶片发生失速颤振。     

先进战斗机气动弹性设计综述

中国新一代战斗机的研发引领了飞机设计领域各项技术的创新和发展。针对研制总要求和任务特殊性，中国航空工业成都飞机设计研究所气动弹性专业建立了精益气动弹性设计与验证技术体系。基于多学科优化设计流程，开展了旨在提高飞机气动弹性品质的关键技术攻关、气弹优化设计和分析工作。完成了考虑含全动翼面结构非线性的全机动力学特性地面试验、亚跨超声速颤振模型风洞试验和气动弹性飞行试验验证。在较短的研发周期内，成功实现气动弹性设计目标，为新一代战斗机的成功研制提供了技术保障。描述了该飞机气动弹性设计历程、主要技术工作以及在此基础上取得的技术进步、能力提升以及具有研究所特色的气动弹性设计知识工程建设。     

全模颤振风洞试验三索悬挂系统多体动力学分析

全模颤振风洞试验需要通过软支撑系统模拟飞行器的自由飞行状态并调整模型姿态达到配平状态。参考NASA双索悬挂方案，提出了一种两电机驱动的三索悬挂系统，利用后方两索的同向/反向联动实现模型俯仰和滚转姿态的调整，利用弹簧刚度以及钢绳张力设计实现支撑频率要求。基于柔性多体动力学方法，建立了包括飞行器刚体模型、柔性索、滑轮、弹簧、气动力模型、伺服电机控制在内的复杂系统动力学模型，其中，利用任意拉格朗日-欧拉（ALE）变长度索单元描述钢绳，利用不约束物质坐标的索结点约束描述钢绳与滑轮相互作用，利用索结点物质输运速度约束描述伺服电机绞盘，利用飞行力学的气动力模型描述吹风下的气动力。基于该模型，通过小扰动响应辨识研究了弹簧刚度、钢绳张力、连接点位置等因素对支撑频率的影响规律，并分析了系统姿态调整能力，俯仰调整范围达到-12.5°~12.5°，滚转调整范围达到-45°~45°。采用滑轮处电位计测量的钢绳相对位移作为反馈信号，基于设计的控制律利用多体动力学求解器与Simulink对风洞吹风下的姿态调整过程进行仿真，模型达到配平状态，获得了吹风下的索拉力和伺服电机功率，为系统设计提供基础。     

全模颤振双索悬挂系统刚体模态频率研究

研究绳系结构和绳索预紧力对全模颤振双索悬挂系统刚体模态频率的影响。首先，基于绳索并联机构理论，对双索悬挂系统进行静力学建模，引入加权矩阵，推导了双索悬挂系统静刚度模型；其次，建立双索悬挂系统无阻尼振荡方程，分析双索悬挂系统刚体模态频率变化规律；进而，搭建了双索悬挂系统地面样机，开展系统模态频率测试试验，研究系统刚体模态频率的影响因素及其变化规律；最后，参考试验结果修正所建数学模型。结果表明，随着绳索预紧力的增加，系统刚体模态频率呈上升趋势，但各阶刚体模态的固有频率上升速率不同，平动模态的固有频率受绳索预紧力影响比转动模态小得多；在转动模态方面，滚转模态的固有频率最大且上升快；在平动模态方面，升沉模态的固有频率大于横侧滑模态的固有频率；双索经过的机身前后滑轮与飞机模型质心之间的相对位置变化会不同程度地影响支撑系统俯仰模态、偏航模态的固有频率，但几乎不影响其滚转模态的固有频率。研究发现，通过控制悬挂绳索预紧力的大小，合理设计机身上的滑轮安装位置，能够有效降低双索悬挂系统刚体模态频率。研究结果对于优化设计全模颤振双索悬挂系统具有指导意义。     

不同后掠角大展弦比复合材料机翼气动特性

为了研究不同后掠角复合材料机翼的气动特性,建立了载荷模型;采用 K方法通过 Theodorsen函数推导得到了机翼颤振速度的计算公式,分析了 0°、5°、10°、15°、20°、25°和 30°共 7种不同后掠角机翼的模态,得到了模态频率和模态振型;仿真计算得到了机翼的颤振速度和发生颤振时翼尖的最大垂直位移。结果显示:机翼后掠角为 15°时,其颤振速度和翼尖最大垂直位移均在安全范围内,因此,后掠角 15°,展弦比为 26的机翼为飞行器机翼设计最优值。     

Stall flutter prediction based on multi-layer GRU neural network

The modeling of dynamic stall aerodynamics is essential to stall flutter, due to the flow separation in a large-amplitude pitching oscillation process. A newly neural network based Reduced Order Model (ROM) framework for predicting the aerodynamic forces of an airfoil undergoing large-amplitude pitching oscillation at various velocities is presented in this work. First, the dynamic stall aerodynamics is calculated by solving RANS equations and the transitional SST-γ model. Afterwards, the stall flutter bifurcation behavior is calculated by the above CFD solver coupled with structural dynamic equation. The critical flutter speed and limit-cycle oscillation amplitudes are consistent with those obtained by experiments. A newly multi-layer Gated Recurrent Unit (GRU) neural network based ROM is constructed to accelerate the calculation of aerodynamic forces. The training and validation process are carried out upon the unsteady aerodynamic data obtained by the proposed CFD method. The well-trained ROM is then coupled with the structure equation at a specific velocity, the Limit-Cycle Oscillation (LCO) of stall flutter under this flow condition is predicted precisely and more quickly. In order to predict both the critical flutter velocity and LCO amplitudes after bifurcation at different velocities, a new ROM with GRU neural network considering the variation of flow velocities is developed. The stall flutter results predicted by ROM agree well with the CFD ones at different velocities. Finally, a brief sensitivity analysis of two structural parameters of ROM is carried out. It infers the potential of the presented modeling method to depict the nonlinearity of dynamic stall and stall flutter phenomenon.     

压电复合材料壁板颤振的控制

针对考虑热效应的壁板颤振问题,利用von Karman大变形应变-位移关系、气动力活塞理论和准定常热应力理论建立了埋入压电材料的复合材料板颤振的气动弹性力学模型,使用Bogner-Fox-Schmit单元推导出壁板颤振的非线性有限元方程.将该动力学方程转换到状态空间模型,给出了基于这个非线性模型的最优控制.应用Runge-Kutta方法在时域内对一个四边简支的含压电材料的复合材料壁板颤振的控制进行了仿真,数值结果证明了该方法的有效性.     

轴向间距对转子叶片颤振特性的影响机理

使用自行开发的非定常流固耦合数值模拟程序,研究了上游叶排影响转子叶片颤振特性的机理,采用影响系数法分析轴向间距影响转子气动弹性稳定性的规律。结果表明:在协调叶栅中,叶片吸力面相邻的叶片振动对转子叶片气动阻尼的大小起决定性作用,其影响甚至超过振动叶片本身的影响;多排环境中,导叶（IGV）对转子叶片气动阻尼最小值的影响最大,并使其对应的节径增大;相邻叶片振动引起的通道变化抑制了导叶对非定常压力波的反射作用;随着轴向间距的减小,导叶对非定常压力波的反射作用减弱了非定常压力波的周向衰减,从而增大了叶片振动的非定常影响范围;在多排环境中使用影响系数法需要测量更多的叶片才能得到较为准确的气动阻尼。