先进飞行器气动隐身一体化设计方法研究现状与趋势

介绍了先进飞行器气动隐身一体化设计的研究现状与发展趋势。首先介绍了设计中的常用的数值模拟技术。针对气动力计算,重点分析对比了位势方程、Euler方程和N—S方程等气动力计算方法;针对隐身性能计算,重点分析对比了高频近似方法、时域法、频域法等雷达散射截面计算方法。在此基础上。讨论了先进飞行器气动隐身一体化设计的策略和步骤,最后对该设计方法的发展趋势进行了分析。     

基于CFD的静气动弹性优化设计方法

以三维Navier-Stokes方程为控制方程,数值计算弹性机翼跨音速气动力,耦合结构静平衡方程,研究弹性机翼的静气动弹性变形和真实载荷分布,并在此基础上,对机翼的型架外形进行基于静气动弹性的多学科的优化设计(MDO),以及对机翼进行基于总升力不变的飞行姿态确定,以满足弹性机翼在飞行时的品质设计要求.以某后掠机翼为例,设计结果达到预期目标.     

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。     

带结构刚度非线性的全动操纵面跨音速颤振特性研究

主要的研究工作是建立了以三维非定常N—S方程为主管方程的计算非定常气动力的高效计算方法，采用颤振方程和N—S方程耦合求解，时间推进的方法计算结构响应特性。发展了一种对既带有结构非线性又含有气动非线性的多重非线性的复杂颤振系统响应特性的分析方法。对全动操纵面转轴带有硬弹簧和间隙型非线性刚度的颤振系统进行了分析，计算结果表明这类系统具有复杂的极限环特性。     

基于共轭方程法的跨音速机翼气动力优化设计

 设计状态的机翼气动力特性是设计人员最为关心的指标, 应用控制理论设计方法进行了有升力约束情形下跨音速机翼阻力优化设计研究, 根据给定的目标函数推导了相应的共轭方程和边界条件, 研究了共轭方程的数值求解方法, 以及计算目标函数对设计变量的敏感性导数时所涉及的度量矩阵变分求解问题, 研究了流场计算、共轭方程数值求解、敏感性导数求解和拟牛顿优化算法这几个主要方面的有效结合问题, 发展出了一种跨音速机翼气动力优化设计方法, 进行了跨音速机翼气动力优化设计研究验证, 优化后机翼气动力特性有一定程度的改善, 阻力系数能减少20%左右, 而升力系数有所增大, 说明所发展的设计方法是成功的, 该设计方法在跨音速及复杂外形气动设计方面比以往设计方法具有更好的适用性和优越性。     

三维机翼的静气动弹性特性数值模拟研究

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,对三维机翼的静气动弹性进行了数值模拟研究。采用三维欧拉方程为控制方程基于直角网格计算气动力,并耦合结构静平衡方程进行静气动弹性数值模拟,设计了CFD/CSD耦合计算的数据交换的方式。以M6机翼作为算例,进行了机翼静气动弹性的数值模拟,计算结果表明所发展的三维机翼静气动弹性数值模拟方法是合理可行的,并可作为机翼结构优化设计和考虑结构弹性变形影响的气动外形优化设计的基础。     

考虑气动弹性影响的机翼气动外形设计研究

采用三维Euler方程为控制方程,耦合静气动弹性平衡方程,进行机翼静气动弹性数值模拟;在机翼静气动弹性分析的基础上,结合Takanashi余量修正方法对三维大展弦比机翼进行气动外形反设计,以确定机翼的型架外形.以某型支线飞机的大展弦比机翼为算例,进行了静气动弹性数值模拟和机翼型架外形设计研究,设计结果表明发展的机翼静气动弹性数值模拟和型架外形设计方法是合理可行的.     

基于欧拉方程的尾迹面法气动力计算

在飞行器气动设计中,气动力的分析与计算很重要。介绍了一种基于欧拉方程新的气动力计算方法。详细说明了该方法的基本原理,并用不同机翼在不同扰流情况下的气动力计算实例对该方法作了讨论与分析。数值模拟的结果表明该方法在飞行器的气动设计中是现实可行的,具有很强的工程应用价值。     

基于遗传算法的微型飞行器气动力优化设计

本文以固定机翼式微型飞行器的翼型气动力优化设计为研究背景,在105量级的低雷诺数范围内,把遗传算法与Navier-Stokes方程数值解法相结合,建立了一种以实数编码为基础的自适应算法模型.在基准翼型的基础上,结合锦标赛选择、部分交叉以及自适应变异算子,对翼型进行了升阻比气动力优化设计,并设计了一种高效的复制算子来提高算法的稳定性和计算效率.优化后的翼型升阻比提高显著,表明该算法对低雷诺数翼型的气动外形设计合理有效.     

基于非结构网格求解器的CHN-T1标模气动特性计算研究

高可信度计算流体力学(CFD)技术在大型运输机精细化气动设计中发挥着越来越重要的作用。虽然目前基于RANS方程的数值模拟技术已经应用于大型运输机复杂外形的气动性能计算与分析中,但其可信度仍需进一步确认。针对AeCW-1组委会发布的CHN-T1运输机标模,采用基于RANS方程的非结构网格求解器TNS进行了气动性能计算,并与组委会提供的风洞试验结果进行了对比。此外,还研究了网格量和湍流模型等因素对巡航气动特性计算结果的影响,以及支撑干扰和静气弹变形对跨声速抖振特性的影响。结果表明,TNS预测的巡航升阻比及跨声速抖振特性等气动性能与试验值吻合良好,计算结果完全位于试验值误差带内,验证了所采用的非结构网格求解器在大型运输机复杂外形气动力预测中的可靠性。     

利用气动弹性的柔性振翼模型建立及分析(英文)

Making use of modal characteristics of the natural vibration of flexible structure to design the oscillating wing aircraft is proposed. A series of equations concerning the oscillating wing of flexible structures are derived. The kinetic equation for aerodynamic force coupled with elastic movement is set up, and relevant formulae are derived. The unsteady aerodynamic one in that formulae is revised. The design principle, design process and range of application of such oscillating wing analytical method are elaborated. A flexible structural oscillating wing model is set up, and relevant time response analysis and frequency response analysis are conducted. The analytical results indicate that adopting the new-type driving way for the oscillating wing will not have flutter problems and will be able to produce propulsive force. Furthermore, it will consume much less power than the fixed wing for generating the same lift.     

支撑翼布局客机总体参数对结构重量的影响

针对支撑翼布局客机在总体设计阶段对结构重量分析评估的需求,建立结构重量与支撑翼总体参数之间的定量描述关系。利用有限元分析求解工程梁模型的方法建立考虑静强度和颤振约束的支撑翼结构分析模型,采用全速势方程加边界层修正的方法建立气动载荷计算模型,在此基础上建立支撑翼总体参数与主承力结构尺寸的优化流程,实现支撑翼结构概念设计优化及重量分析。以支撑翼客机为对象的算例研究表明,应用这一优化流程能够分析总体参数对结构重量的影响规律,并实现定量描述,可以为支撑翼布局客机概念方案设计提供技术支持和数据参考。     

基于欧拉方程的机翼设计方法及应用

以Takanashi提出的三维机翼设计理论为基础，研究与发展了一个基于欧方程和“正－反迭代、余量修正原理”的机翼设计方法。用改进的无限插值方法生成绕机翼的O－O贴体网格，采用三维欧拉方程作为充动分析计算的基本方程，该设计方法已用于某无人机机翼和一个超临界机翼设计，设计结果达到了预期的目标。     

大展弦比机翼的静气动弹性分析

大型飞机普遍采用的大展弦比机翼,其气动弹性问题显得尤为突出。通过求解基于三维结构网格的Euler/边界层耦合方程组,采用结构模态分析法,对HIRENASD机翼的静气动弹性进行了数值模拟。计算得到了机翼静弹变形前和变形后的压力分布以及不同攻角下翼尖变形值。计算结果和实验值对比分析,验证了Euler/边界层耦合方程组求解器对静气动弹性数值模拟的准确性,表明所发展的数值模拟方法可以用于大展弦比机翼静气动特性的分析研究。     

大展弦比复合材料机翼设计与CFD／CSM计算

研究沿着机翼气动性能计算、复合材料机翼构形设计、复合材料部件铺层设计、CFD／CSM载荷传递、机翼结构力学性能计算的设计分析流程,完成了一个大展弦比全复合材料机翼的设计过程。计算结果表明：该复合材料机翼能够完全满足预定设计指标要求;与传统金属机翼相比,在刚度提升20％的情况下,结构减重达32％。研究充分说明了所采用设计分析流程的技术可行性。     

Mass and performance optimization of an airplane wing leading edge structure against bird strike using Taguchi-based grey relational analysis

Collisions between birds and aircraft are one of the most dangerous threats to flight safety. In this study, smoothed particles hydrodynamics (SPH) method is used for simulating the bird strike to an airplane wing leading edge structure. In order to verify the model, first, experiment of bird strike to a flat aluminum plate is simulated, and then bird impact on an airplane wing lead-ing edge structure is investigated. After that, considering dimensions of wing internal structural components like ribs, skin and spar as design variables, we try to minimize structural mass and wing skin deformation simultaneously. To do this, bird strike simulations to 18 different wing structures are made based on Taguchi’s L18 factorial design of experiment. Then grey relational analysis is used to minimize structural mass and wing skin deformation due to the bird strike. The analysis of variance (ANOVA) is also applied and it is concluded that the most significant parameter for the performance of wing structure against impact is the skin thickness. Finally, a validation simu-lation is conducted under the optimal condition to show the improvement of performance of the wing structure.     

基于伴随方法的机翼多设计点气动反设计方法

针对三维机翼多点多约束气动反设计问题,基于伴随理论方法和粘性流雷诺平均N-S方程,通过粘性流数值模拟、伴随方程与梯度精确数值求解、计算网格高效算法及梯度类优化算法等有效结合,并采用考虑多设计点梯度权重系数的并行计算近似模式,开展了一种三维机翼多设计点多约束气动反设计方法研究,进行了典型算例验证。研究表明:所发展的机翼多设计点气动反设计方法具有较好的鲁棒性及优化效率。     

基于ANSYS机翼翼盒拓扑优化的网格划分和建模

网格划分是进行有限元分析建模的一个重要环节,总结了ANSYS建模中网格划分的主要步骤、方法的优缺点和注意事项;针对机翼翼盒的特殊结构,为实现装配要求,提出芯板和蒙皮相黏结的建模方法;分析了机翼受力的主要特点,对翼盒模型受力进行了合理简化。算例结果表明提出的芯板和蒙皮相黏结的扫掠网格建模方法能正确模拟实际结构连接情况,达到指定装配要求,为成功实现机翼翼盒的拓扑优化设计奠定了基础。     

复合材料构件发射导弹的动响应分析

通过对复合材料机翼部件的动特性及动响应分析,介绍了计算分析的方法和步骤;对分析结果的进一步处理及指导改进设计。通过对结构的动特性分析,发现在打样设计局部振动现象,可通过改进铺层设计来消除此设计中的薄弱环节。比较外翼、中翼和内翼3种发射导弹的计算情况,给出最严重情况的动力响应值,最后确定其动强度。