几何不确定性区间分析及鲁棒气动优化设计

不确定性因素会导致飞行器偏离预先设计的气动性能,造成气动性能下降甚至产生严重的后果。针对工程中无法给出准确的几何不确定性概率分布以及跨声速条件下非线性气动问题,对几何不确定性的非概率参数化建模进行了研究,并结合Kriging模型及最优化方法建立了快速非线性区间分析方法。采用该方法对对称翼型进行不确定性分析,获得了气动性能参数的定量变化区间。在区间不确定性分析基础上建立了鲁棒优化设计流程。基于区间序关系及区间可能度转换模型将单目标区间不确定性优化问题转化为多目标确定性优化问题,并采用基于Pareto熵的自适应多目标粒子群算法对优化问题进行寻优。考虑几何不确定性以及升力、力矩、面积约束,以阻力性能为目标对超临界翼型进行了鲁棒优化设计。与确定性优化设计结果对比表明,确定性优化设计在不确定性因素的影响下易失效,而鲁棒设计可得到更安全可靠的结果。      

基于重叠网格的唇口移动变几何进气道数值模拟研究

吸气式冲压发动机的进气道需要在比较宽广的马赫数范围内工作,而变几何进气道具有良好的气动性能,成为了最佳选择。重叠网格技术是解决存在复杂运动边界流动模拟问题的有效策略,在应用于变几何进气道非定常流动模拟时需要进一步完善。采用发展的重叠网格技术,对变几何平动方式的进气道开展了数值模拟研究。针对存在物面接触重叠网格的挖洞操作在执行时无法取得合理的插值模板问题,引入了虚拟单元赋值方法和“Collar”网格方法,实现了多体相交时重叠网格的计算。为了引入“Collar”型重叠网格,对其算法作了适当修改以适应本论文所建立的洞面优化方法。对平移过程中内收缩变化所造成的对启动过程的影响进行了研究。通过迎着来流方向平移唇口,增大了进气道的内收缩比,导致内压缩段出现边界层分离,分离泡随着唇口的前移而增大,当其移出内压缩段时,原本启动的进气道进入不启动状态,而后移唇口减小了内收缩比,使分离泡减小并向下游移动,辅以边界层排移,可以改善进气道的启动性能。此外,平移速度和振荡频率对启动过程的影响也进行了研究,进气道迟滞效应随平移速度和振荡频率增大而增大。     

变时滞间隙非线性机翼颤振主动控制方法

针对当前考虑时滞的机翼颤振主动控制研究多集中在只考虑某一通道存在固定时滞的问题，为解决控制回路前向和反馈通道都可能存在不确定时滞的情况，提出了具有时滞补偿功能的控制方法，实现对双向通道不确定时滞的颤振控制。在控制系统回路传输的数据中附加“时间戳”标志。在反馈通道，考虑系统状态不完全可测，设计时滞补偿状态预估器；在前向通道，提出了基于状态反馈的时滞补偿预测控制器。分析了使用所提时滞补偿策略构成的闭环控制系统的稳定性。以含间隙非线性的翼型为被控对象，对其发生颤振时前向通道和反馈通道存在不确定时滞的颤振控制进行了研究。讨论了不同通道的时滞大小对颤振控制效果的影响。仿真结果表明:所提时滞补偿控制方法能有效抑制颤振，提高系统的稳定性；在控制性能影响上，基于状态反馈的控制方法，其控制效果受反馈通道时滞的影响更大。      

某全机跨声速颤振模型颤振特性仿真与试验验证

针对某全机结构相似跨声速颤振模型,进行了有限元(FEM)模型结构模态分析和偶极子网格法(DLM)法颤振计算以及CFD方法的跨声速颤振特性仿真。在FL-26风洞中完成了跨声速颤振风洞试验。通过试验结果与仿真结果的相关性分析,验证了一种全机复杂耦合的颤振形式。通过对基于N-S方程的跨声速颤振仿真程序进行评估与验证,证实在飞机非定常CFD仿真上取得了进展并且具有足够的精度。综合CFD仿真与跨声速颤振风洞试验,可以对全机复杂耦合的颤振特性进行工程颤振设计。     

基于静气动弹性效应的飞机型架外形修正方法研究

民用客机主要针对巡航外形设计,这就需要通过静气动弹性修正得到型架外形,保证型架外形在设计巡航状态飞行时,气动性能能够恢复到巡航设计状态。本文基于混合网格的N-S方程和结构柔度矩阵方法的耦合求解,发展了大飞机静气动弹性计算方法。根据静气动弹性变形过程的可逆性,结合飞行器质量分布、发动机推力以及巡航飞行重量等设计参数,发展了考虑静气动弹性效应的飞机型架外形修正方法。利用所发展的修正方法,获得了某大型客机巡航飞行的型架修正外形,同时分析了其它飞行工况的弹性气动特性,并通过算例比较验证了本文发展方法的有效性。     

含间隙非线性机翼跨声速颤振时滞反馈控制

颤振主动控制会引入时滞，对气动弹性系统闭环稳定性具有显著影响。针对当前考虑时滞的机翼颤振主动控制多集中在亚、超声速域，采用线性气动力分析的研究现状，结合现代飞机大都以跨声速巡航、控制面偏转为作动器进行主动控制的应用特点，发展了考虑结构间隙非线性，基于气动力降阶模型的跨声速颤振时滞反馈主动控制方法。首先，以白噪声为激励信号，辨识得到跨声速下非定常气动力降阶模型，与间隙非线性结构模型耦合，构建被控对象状态空间模型；然后，通过一种含积分项的状态变换将输入信号存在时滞的被控系统转化为无时滞的系统；最后，采用最优控制理论设计最优时滞反馈控制。仿真结果表明:对于含时滞的系统，若施加不考虑时滞影响的控制方法，则无法抑制颤振，所提控制方法的有效性不受时滞大小的影响，可有效抑制颤振的发生。