大展弦比复合材料机翼气动剪裁设计新方法研究

根据机翼气动载荷和机翼弹性变形之间存在的关系,以机翼的总升力不变和结构强度作为约束条件,提出一种新的气动/结构耦合的刚度设计方法。该方法首先通过数值实验设计研究机翼扭转变形和弯曲变形对机翼气动载荷的影响,并用主成分回归方法构建了机翼变形和气动载荷之间的响应面模型。然后以该模型为基础,构建气动/结构一体化设计模型,此模型仅考虑强度约束和总升力不变的要求,放弃了传统优化设计模型中的挠度和扭转约束。通过2种优化模型的对比,说明应用该方法设计出的机翼结构,重量减轻1.23%,机翼总体扭转变形减小33%,刚度设计更为合理。     

客机机翼气动/结构多学科优化方法

针对客机机翼特点,建立机翼外形和结构参数化模型;应用CATIA二次开发技术和PCL编程,实现气动分析模型和结构有限元模型的自动生成;分析了气动和结构之间的耦合关系,研究一种气动载荷自动加载到结构模型的方法;应用基于代理模型的二级优化方法求解机翼气动/结构设计多学科优化问题;在iSIGHT软件环境下实现机翼气动/结构多学科优化计算流程。算例结果表明,本文提出的机翼气动/结构多目标优化方法能获得关于升阻比和结构重量的最优解集,有助于设计人员确定合理的机翼总体参数。     

λ机翼气动/结构多学科设计与优化

λ机翼锯齿状后缘的气动外形设计增大了展弦比,进而提高了空气动力学效率,但同时也导致结构质量的增加。因此,本文提出了一种针对战斗机类λ机翼的气动/结构多学科设计优化方法,关键步骤包括机翼外形和结构参数化建模、气动分析模型自动生成与外形优化、结构有限元模型自动生成与结构布局/尺寸优化。在ISIGHT软件环境下集成气动、结构优化模块,利用基于代理模型的多级优化方法求解λ机翼气动/结构多目标优化问题。算例结果表明,本文提出的优化方法能够较好地兼顾了λ机翼的气动和结构性能,进而提高初步设计阶段的效率。     

扑旋翼飞行器气动特性分析及机翼拓扑优化设计

建立微型扑旋翼飞行器运动学模型,基于面元法研究低雷诺数下非定常场中扑旋翼飞行器的气动特性,得到机翼气动特性和一个工作周期内的最大气动载荷。建立扑旋翼飞行器机翼有限元模型,基于变密度法和独立连续映射法(Independent continuous mapping,ICM)对机翼进行静力学和动力学拓扑优化设计,通过改变机翼拓扑结构优化机翼模态频率,得到同时满足结构静力学和动力学要求的扑旋翼飞行器机翼拓扑结构。本文为扑旋翼飞行器机翼结构优化设计提供了基本思路和研究基础。     

变体机翼后缘多学科设计与优化

变体飞机能够改变自身外形适应不同的飞行状态,提高飞行性能,其设计涉及气动、材料、结构等多个学科。本文采用零泊松比蜂窝结构的材料作为柔性蒙皮,设计了一种具备机翼参考面积不因弯度改变而缩减的特点的机翼后缘无缝偏转机构,研究了变体机翼后缘机构多学科设计与优化方法。优化结果表明,优化后的机翼巡航和起降状态都具备良好的气动性能,不但柔性蒙皮可产生大尺度拉伸变形,而且后缘结构均能满足刚度、强度等性能指标,同时机翼结构质量相比初始设计减轻了18%。文中研究的变体机翼多学科优化设计方法,能够快速有效地完成变体机翼无缝偏转后缘优化设计。     

基于协同优化方法的多学科非概率可靠性优化设计

针对传统多学科优化是基于确定性的优化设计方法,为了获得更为可靠的结构设计,在设计中考虑了不确定因素对结构性能的影响.本文将非概率可靠性优化方法与多学科优化设计方法相结合,引入了非概率可靠性指标,提出了一种新的基于协同优化方法的非概率可靠性多学科优化设计方法.同时采用了基于均匀试验设计的响应面方法来近似学科优化,提高了遗传算法的收敛速度,降低了计算量.最后通过对跨声速机翼气动结构多学科可靠性优化设计算例的计算,验证了本文提出的方法能够保证设计解的可靠性,对工程实践具有一定的指导意义.     

盒式机翼布局气动特性研究

采用数值模拟的方法研究了盒式机翼布局的气动特性。在数值模拟过程中,控制方程为雷诺平均N-S方程,采用基于非结构网格的有限体积方法进行求解。空间离散采用了Osher逆风格式,时间离散则采用五步Runge-Kutta格式。紊流模型采用了S-A方程模型。对盒式机翼布局外形在不同状态下的流场进行了数值模拟,给出了每个状态下的气动参数,并进行了分析,结果显示盒式机翼布局具有较好的气动特性。     

基于NASTRAN的某复合材料机翼综合优化设计

基于NASTRAN软件,研究了在机翼打样设计阶段考虑颤振约束条件进行结构综合优化设计的方法.气动载荷采用亚音速偶极子格网法计算,颤振分析采用v-g法,优化中以最小质量为设计目标,设计变量为蒙皮铺层参数.对某复合材料后掠翼进行优化设计,设计结果满足静强度和刚度要求,颤振性能大幅度提高,对工程设计具有一定的参考作用.     

复合型跨声速风洞AGARD-B标模设计与加工制造方法

提出一种内部嵌套金属骨架/外部光敏树脂快速成型制造复合型跨声速风洞模型的方法,以AGARD-B标模为验证实例,介绍了复合型模型内部金属骨架与光敏树脂外形结构设计与加工制造方法,并完成了验证模型机翼金属骨架结构优化设计;对验证模型的强度、刚度校核与试验系统振动分析结果表明,在跨声速范围此方法基本可行.与金属模型相比,复合型模型减小了风洞模型重量,提高了模型-支撑系统固有频率,缩短了模型设计与加工周期.     

飞机机翼摇滚低速风洞实验研究

介绍了机翼摇滚低速风洞试验技术,并对试验装置、试验方法、数据采集等进行了描述。重点讨论了一种歼击机模型在气动中心低速所4m×3m风洞进行的机翼摇滚风洞试验的典型结果。最后对形成机翼摇滚的机理进行了探讨与分析。     

线状多体系统定常气动力节段模型风洞测试

在风—车—桥耦合振动分析及具有独立式双层桥面的大跨桥梁风致振动分析中常需得到考虑相互气动影响的各构件的三分力系数。为进行线状多体系统定常气动力测试,在常规桥梁节段模型三分力测试装置的基础上研制了一种三分力分离装置———交叉滑槽系统。该系统利用环形滑槽和直线滑槽交叉点位置的变化来调整各测试构件间的相对几何关系,并能实现多构件的同轴转动,从而方便地进行不同迎角情况下的气动力的测试。最后,利用交叉滑槽系统对一具有双层桥面的钢管混凝土系杆拱桥在其上有车及无车情况下各构件的定常气动力进行了测试,试验结果表明:车辆的存在对上、下桥面的气动力有较明显的影响。     

超声速条件下多体干扰与分离试验研究

采用根据国外公开文献设计的类CAV模型,在0.6m×0.6m 跨/超声速风洞中开展了多体干扰与分离网格测力试验研究,初步获得了典型多体飞行器分离过程中的气动特性变化规律。试验结果表明,载荷模型气动特性受分离位置变化影响非常明显。载荷模型沿轴向分离时,气动力(矩)逐步接近自由流中气动力(矩)值,载荷模型法向位置改变会引发其气动力(矩)值发生更为剧烈的变化。引发这种现象的原因有两个:一是尾迹和头激波的发展改变了不同轴向位置处载荷模型的表面流态,从而影响了其气动特性;二是母机模型底部流动具有明显的非对称膨胀特征,不同法向位置处流速大小和方向差异明显,导致载荷模型气动特性随法向位置变化更为剧烈。     

风洞天平动态特性多阶惯性补偿技术研究

在高超声速风洞测力试验过程中,冲击载荷或动态载荷激励测力系统结构振动,天平输出信号中包含了振动干扰量,可通过动态补偿方法进行改善,但现有方法处理方式单一,精度受限。根据测力系统结构特点,将测力系统简化为带集中质量的悬臂梁模型,应用振动理论方法,得到了该系统的自由振动解析结果。在自由振动特性研究中,考察了各个振型对测力的干扰以及各个振型加速度分布规律,提出了天平"多阶惯性补偿方法",并得到了理论补偿系数;进而利用有限元仿真和小波变换后处理方法,对该方法进行了仿真验证。结果表明,相比传统方法,该方法有效提高了天平动态性能。     

多学科优化中基于实例推理的气动近似模型

为提高飞机多学科优化效率,对气动近似计算模型进行了改进。在比值修正模型所构造的气动近似模型的基础上,引入了基于实例的推理技术对其加以改进。通过采用与飞机气动特性相关的参数作为实例属性,建立了飞机方案实例,并改进了实例检索公式,最后通过复用与当前方案最相似实例的修正因子改进了优化中的气动近似模型。以常规布局民用飞机概念设计为例,采用改进的气动近似模型进行了多学科优化研究。结果表明,对于具有大量设计变量的飞机方案优化问题,采用改进的气动近似模型能够有效提高计算精度与优化效率。     

高超声速风洞气动力/热试验数据天地相关性研究进展

高温真实气体效应、黏性干扰效应和尺度效应等高超声速流动特性突破了实验气体动力学传统的流动相似模拟准则,使得高超声速流动现象超出了经典气体动力学理论能够准确预测的范围。如何利用地面风洞试验数据预测天上的飞行状态,即天地相关性问题,成为制约新型高超声速飞行器研制与发展的关键性科学问题。本文概述了天地相关性的最新研究进展,并重点介绍了多空间相关理论与泛函智能优化关联方法。多空间相关理论认为,从更高维度空间视角看,不同风洞的试验结果都是内在相关的,而飞行试验可视为理想的风洞试验,所以地面风洞试验数据间的关联规律包含了天地相关性问题。泛函智能优化关联方法基于风洞群（能模拟不同参数区段的不同类型风洞）的试验数据,在泛函空间中利用专业化智能学习算法,从高维度的全参数空间出发,进行降维和自适应空间变换,自动推演出不同风洞共同遵守的不变规律,从而实现风洞试验数据的关联。验证实例和应用实践都表明,多空间相关理论与泛函智能优化关联方法是有效的,是高超声速气动力/热天地相关性研究的一个新方向。     

基于正交试验和APDL的盒式天平力敏元件集成优化设计

针对悬臂梁力敏元件的结构优化问题,以布片部位应变最大和变形最小为优化目标,将正交试验法引入到力敏元件结构多目标优化中,提出了一种实用高精度的结构多目标优化方法.基于正交试验法和APDL求解模块,确定初始优化方案;对在其可行区间边界上未能取优的因素,细化样本点,采用最小二乘多项式曲线拟合对该因素的试验结果进行高精度拟合,通过计算获取该因素的最优水平,得到了全局最优化方案.通过对拟合效果的量化评价和有限元仿真验证,力敏元件的参数优化结果比较理想.     

Force/Moment Isotropy of 8/4-4 Parallel Six-Axis Force Sensor Based on Performance Atlases

A six-axis force sensor with parallel 8/4-4 structure is introduced and its measurement principle is analyzed.Based on condition numbers of Jacobian matrix spectral norm of the sensor,the relationship between the force and moment isotropy and some structural parameters is deduced.Orthogonal test methods are used to determine the degree of primary and secondary factors that have significant effect on sensor characteristics.Furthermore,the relationship between each performance index and the structural parameters of the sensor is analyzed by the method of the atlas,which lays a foundation for structural optimization design of the force sensor.     

基于测力和测压试验的气动导纳识别结果比较

气动导纳是大跨度桥梁抖振分析的重要参数,通常通过格栅湍流场测力或测压风洞试验进行识别。然而,测力试验中天平和节段模型系统的固有振动和测压试验中测压管路系统的频响效应都会对气动导纳的识别结果产生影响。本文通过格栅湍流场测力和测压试验、采用抖振力自谱和抖振力脉动风交叉谱综合残量最小二乘法识别了准平板断面的气动导纳,其中,在基于测力试验的气动导纳识别中考虑了模型抖振力跨向不完全相关效应的影响,在基于测压试验的气动导纳识别中考虑了按Bergh-Tij deman理论公式修正或者不修正测压管路系统频响特性影响的2种情况。在此基础上,通过考察气动导纳实验识别结果之间的差别及其与平板断面气动导纳理论解Sears函数之间的差别,研究了天平模型系统固有振动以及测压管路系统频响效应对识别结果的影响。结果表明:天平模型系统的共振会显著放大气动导纳的识别结果;而由于测压管路的固有频率一般要显著高于天平模型系统的固有频率,因此,与基于测力试验得到的气动导纳相比,基于测压试验所得气动导纳总体上更加合理,可用导纳的折算频率范围更广。此外,在一般大跨度桥梁抖振分析所关心的折算频率范围内,考虑测压管路频响特性修正后,气动导纳有一定降低。     

高速喷流干扰及控制技术研究

在高速风洞中对单喷模型喷流干扰和二次引射实现推力转向进行了试验研究,试验马赫数为0.6和0.8.结果表明:亚、跨声速喷流对气动特性起到积极作用;引入二次流可以实现喷流偏转,但是会带来一定的推力损失.     

直升机新型旋翼翼型气动特性与布局分析

利用结构网格计算流体力学(Computational fluid dynamics ,CFD)的翼型气动特性分析方法开展旋翼翼型气动特性计算。通过RAE282,NACA0012,OA212,OA207等翼型压力分布、升力和阻力等特性计算结果与试验结果的对比分析,验证了计算方法的准确性,并进一步完成了HF系列旋翼翼型的气动特性计算。基于翼型的气动特性,采用时间步进自由尾迹的旋翼气动性能分析方法开展旋翼桨叶翼型的气动布局优化设计,对悬停和前飞条件下的旋翼开展计算分析,得到两种条件下的旋翼气动特性。而后通过本文建立的优化方法开展旋翼翼型布局优化设计。