基于Broyden法的旋翼多体系统气动弹性分析

建立了旋翼多体系统气动弹性模型并给出了一种适合于该模型响应计算的数值计算方法。采用柔性多体系统动力学方法建立旋翼气动弹性模型,利用驱动约束显著简化约束方程形式,集成大变形桨叶模型,准确考虑变形的非线性,适合于对采用柔性结构的先进旋翼进行气动弹性分析。基于Broyden法改进隐式积分法积分一步中非线性方程的求解,避免求取切线矩阵和矩阵求逆运算,保持隐式积分法具有较好稳定性的同时提高计算效率,解决了旋翼多体系统气动弹性力学方程隐式表达且具有较强非线性和较高刚性比造成的响应计算困难。通过模型旋翼桨叶响应计算验证了结构模型与气动弹性响应求解方法。采用建立的气动弹性模型计算悬停和前飞状态旋翼气动弹性稳定性,与试验结果对比验证了模型的正确性。研究了不同的稳定性计算方法、桨叶结构模型和入流模型等对悬停和前飞稳定性计算的影响,结果表明本文所采用的结构、气动模型及气动弹性稳定性计算方法提高了气动弹性稳定性分析精度。     

Stability analysis of an aeroelastic system with friction

In this paper, harmonic balance method, exact formulation and numerical simulation method are adopted to study the effects of different friction stiffness on the stability of 1.5 degrees of freedom aeroelastic system. On this basis, the expressions of input energy and dissipated energy are deduced, and the energy method is used to reveal the mechanisms of the stable boundary and unstable boundary existing in the system and the effects of different friction stiffness on the stability of the system. Studies have shown that the stability region and the critical aerodynamic damping ratio of the system rise with the increase of the friction stiffness, while the friction stiffness has little effect on the stability boundary. In the analysis of the stability of system, the results of harmonic balance method, exact formulation and Newmark of numerical simulation method are in good agreement. Compared with exact formulation and numerical simulation method, the concept and conclusion of harmonic balance method are simple in the system stability analysis.     

一种求解涡轮平面叶栅的跨音松驰法

一、引　　言跨音松驰法是七十年代初发展的一种新方法。文献 [1 ]是一篇关于跨音松驰法的奠基性文章 ,文章提出了求解小扰动势方程的混合差分格式。文献 [2 ]发展了求解全位势方程的旋转混合差分格式。近年来 ,求解跨音全位势方程的方法有了更全面的发展 [4、5]。作者于 80年发展了一种求解大弯度二维叶栅的跨音松驰法[3] 。本文将该法推广到求解涡轮平面叶栅跨音带激波流场 ,直接求解全位势方程 ,进一步提高边界区差分格式的精度 ,并注意初场的给法。本法具有节约机时和内存的优点。数值算例表明 ,对于头部不大的涡轮平面叶栅 ,应用本方法…     

一种适用于颗粒非规则分布的阻止SPH数值断裂的方法

 〖HT5”H〗摘〓要〖HTSS〗: 光滑粒子流体动力学(SPH)方法已广泛应用于航空航天领域中大变形的碰撞计算。数值断裂是SPH计算中一种常见问题,可严重影响计算结果。把适用于颗粒规则分布的阻止SPH数值断裂的方法推广到颗粒非规则分布的情形,得到了一种适用于颗粒非规则分布的阻止数值断裂的加颗粒方法。然后将该方法应用于存在数值断裂的悬臂梁弯曲仿真计算,验证了其有效性。最后把该方法应用于弹丸撞击飞机蒙皮的非规则颗粒模型计算,并和规则颗粒模型得到的结果及试验结果进行比较。对比结果表明：对于非规则分布的颗粒模型,该加颗粒方法可有效地阻止数值断裂,提高计算精度,并可较为普遍使用。     

共轴式直升机线性系统建模

应用小扰动理论和数值法,对共轴式直升机飞行动力学非线性数学模型进行线性化,获得了用于操稳特性分析和控制系统设计的共轴式直升机线性化模型.以某型共轴式直升机为研究对象,计算其稳定性导数和控制导数,结果与俄罗斯计算结果基本一致,并对研究对象的稳定性进行了初步分析.     

室内气流分布的大涡模拟

准确地模拟室内气流分布对优化室内通风设计及预测舒适和健康的室内环境有着重要的意义，传统的空内气流分布的数值模拟大都采用к-ε两方程湍流模型，该方法求解出的是流动变量的平均值，无法给出流场结构的详细信息，体现不出湍流流动的瞬时性的特点。本文采用大涡模拟（LES）法求解室内气流分布，使HSMAS法保证计算的稳定性和收敛性。通过对室内等温贴附射流和非等温受限射流两种类型的射流作用下的室内气流分布计算，以及导入к-ε两方程湍流模型对计算结果进行比较与分析表明，大涡模拟求解室内气流分布是一种确定可行和有效的方法。     

基于控制理论和NS方程的气动设计方法研究

研究了基于控制理论和NS方程的气动设计方法,针对给定的目标函数表达形式,应用该设计理论在计算坐标下详细推导了相应的共轭方程及边界条件具体表达形式,以及梯度方程求解表达式,通过合理的数学变换,导出了共轭方程在笛卡尔坐标系下的直观表达形式,发展了有效的共轭方程数值求解方法,通过流动控制方程数值求解、共轭方程数值求解、目标函数对设计变量的梯度求解和优化算法等方面的有效结合,研究与发展了一种新的气动设计方法,以二维机翼气动设计为例,成功进行了亚、跨音速情形下的相关设计算例研究,研究结果表明应用控制理论和NS方程的气动设计方法在设计理论、适用性以及时间花费等方面都有着很好的特色和优点,且设计结果也更为可靠.     

U-D分解的固定点平滑新算法及其在飞行试验中的应用

 本文根据Rauch固定点平滑公式,提出了一种U-D分解的固定点平滑新算法。这一算法不仅具有良好的数值稳定性和可靠性,而且计算量较少;计算效率是Bryson-Ho Y C固定点平滑计算效率的1.5倍以上。将这种新算法用于飞机运动状态初值的确定,提高了飞机气动参数辨识精度。     

平面叶栅不可压粘性流场数值解

本文旨在发展一种二维叶栅不可压粘性流场计算的工程数值法。采用了主变量控制方程。在贴体非正交曲线坐标中求解运动方程。应用了一种新的叠加网格。用逆风因子法来确保数值解的稳定。应用压力修正代数方程来修正压力场,以满足连续方程。应用等效粘性系数紊流模型。最后对四种不同的叶栅在攻角-13°～+11°的范围内进行了数值试验,并将落后角以及分离点的位置与平面叶栅吹风数据作了比较,相互吻合是满意的。      

基于N-S方程的跨声速翼型多目标多约束优化设计

本文将粘性流场分析和数值优化方法耦合起来，发展了一种跨声速翼型设计方法，用以提高翼型在一个或多个设计点、在多种约束条件下的气动性能。由粘性流场分析程序计算得到的升力、阻力等气动参数构成目标函数，数值优化程序对其进行最小化。粘性流场分析采用了雷数平均Ｎ－Ｓ方程，这比过去翼型设计中使用的全速势方程或Ｅｕｌｅｒ方程更能模拟流动的本质，因而设计结果的可靠性大大提高了。优化算法采用传统的拟牛顿法（Ｑｕａｓｉ     

大型水陆两栖飞机侧风起降的滑流影响分析

大型水陆两栖飞机AG600的动力装置为安装在机翼上的4台同向旋转涡轮螺旋桨发动机,针对1：15缩比模型带动力风洞试验显示的螺旋桨滑流对侧风起降状态的偏航力矩不稳定影响,对全机带动力风洞试验模型进行了大规模并行非定常数值计算,再现了风洞试验现象,通过流动机理分析明确其产生原因主要是左侧滑时右外翼分离和垂尾背鳍涡破裂,这些原因和数值模拟的准确性也为后期的风洞试验所证实。考虑到模型风洞试验中尺度限制造成的低雷诺数和高螺旋桨转速,为保证飞行安全,继续采用该非定常方法对全尺寸飞机真实侧风起降状态进行了详细数值分析和偏航稳定性评估。研究结果显示,在飞行雷诺数和螺旋桨转速下,相同侧风范围内风洞试验显示的流动不稳定因素基本消失,偏航稳定性允许的侧风范围明显增加。本研究实现了四发螺旋桨飞机起降状态横向气动特性的滑流影响非定常数值分析,建立了基于计算流体力学的风洞与飞行雷诺数效应的相互关系,进行了偏航稳定性的虚拟试飞评估,研究成果也为AG600飞机的首飞和飞行试验所验证。     

Coupling fluid (CFD) and structural (FE) models using finite interpolation elements

In the field of aeroelasticity, interactions between elastic structures and fluid flow are investigated. Recently, numerical aeroelastic models have been built composing those of the combining fluid dynamics (CFD) and the computational structural dynamics (CSD) domains. Since the fluid and the structural models differ in their formulation and discretization, an interface model has to be introduced that represents the connectivity and physical interaction between the two single domain models. In the following, a scheme for coupling fluid (CFD) and structural models (FE) in space is presented which is based on finite interpolation elements. It is applied to static aeroelastic problems, in order to predict the equilibrium of elastic wing models in transonic fluid flow. The structure is represented by finite elements and the related equations are solved using commercial FE analysis codes. The transonic fluid flow is described by the three-dimensional Euler equations, solved by an upwind scheme procedure. The resulting coupled field problem containing the fluid and the structural state equations, is solved by applying a partitioned solution procedure. In each solution step the interface and boundary conditions are exchanged and updated. Here, a fixed-point iteration scheme is used for the coupled aeroelastic equations.     

Experiences in accurately predicting time-dependent flows

As computational fluid dynamics matures, researchers attempt to perform numerical simulations on increasingly complex aerodynamic flows. One type of flow that has become feasible to simulate is massively separated flow fields, which exhibit high levels of flow unsteadiness. While traditional computational fluid dynamic approaches may be able to simulate these flows, it is not obvious what restrictions should be followed in order to insure that the numerical simulations are accurate and trustworthy. Our research group has considerable experience in computing massively separated flow fields about various aircraft configurations, which has led us to examine the factors necessary for making high-quality time-dependent flow computations. The factors we have identified include: grid density and local refinement, the numerical approach, performing a time-step study, the use of sub-iterations for temporal accuracy, the appropriate use of temporal damping, and the use of appropriate turbulence models. We have a variety of cases from which to draw results, including delta wings and the F-18C, F-16C, and F-16XL aircraft. Results show that while it is possible to obtain accurate unsteady aerodynamic computations, there is a high computational cost associated with performing the calculations. Rules of thumb and possible shortcuts for accurate prediction of massively separated flows are also discussed.     

动导数数值预测中的相关问题

动导数是飞行器动态稳定性分析、弹道设计和控制系统设计的重要参数,其预测方法主要有工程近似方法、数值模拟和风洞试验。基于动导数、交叉导数的概念,介绍了强迫振荡法、自由振荡法等预测动导数的数值模拟方法,重点就超声速、高超声速动导数数值预测中存在的问题开展讨论,包括时间步长、子迭代步数的选取;振荡频率对辨识结果的影响;强迫振荡法和自由振荡法辨识动导数可能存在差异的原因分析;交叉导数和交叉耦合导数的辨识问题以及飞行器构型对动导数预测的影响等。并结合算例进行了具体分析,在总结现有研究经验的同时,针对当前研究中存在的困惑和难题,提出了相应的改进建议。     

基于改进平方根无迹卡尔曼滤波方法的涡扇发动机气路状态监控

针对涡扇发动机气路状态监控存在模型未知或不准确导致滤波效果下降甚至发散的问题,研究了一种融入高斯过程回归（GPR）的改进平方根无迹卡尔曼滤波（UKF）方法.该方法利用GPR对训练数据进行学习,建立发动机气路部件状态监控的GPR模型,替代UKF方法中的非线性系统模型;采用超球体单形采样和平方根滤波方法来提高滤波的计算效率和数值稳定性.仿真结果表明:训练的GPR模型解决了UKF方法对发动机原系统模型和噪声协方差矩阵依赖性的问题;与扩展卡尔曼滤波（EKF）和平方根UKF方法相比较,改进平方根UKF方法精度更高,对健康参数的估计精度达到99.9%,实现了对涡扇发动机单个和多个气路部件健系参数的有效跟踪.      

特征无反射边界条件应用于二维圆柱绕流模拟

采用特征无反射边界条件和吸收层技术相结合的边界处理方法,研究了二维圆柱绕流模拟的边界反射问题。近年来在计算气动声学中提出了将大涡模拟和声学传播方程结合的混合方法求解声场,基于计算量的考虑,须在较小的计算区域内进行大涡模拟,这就需要在计算区域较小时,边界的反射尽可能小。作为大涡模拟研究的技术储备,将该方法应用于二维圆柱绕流的模拟中。数值结果表明这种方法在计算区域较小时,能起到很好的无反射效果,计算结果与前人在计算区域取得很大时的结果比较吻合。     

连续空间离散时间—Riccati传递矩阵积分法

本文提出了分析非线性转子 -支承系统瞬态响应的一种传递矩阵积分法,它借助Newmark差分公式,建立传递关系,使用的传递向量是 {fe} T,而不是以往的 {fe} T;它用Riccati法计算的是各站位的加速度,而不是以往的位移,提高了方法的数值稳定法。本法具有Riccati法的优点,尤其适合于计算含有非线性元件的复杂转子系统的瞬态响应。      

适用于气动弹性的小波非定常气动力降阶方法

发展非定常气动力模型降阶技术旨在缩减计算耗费并且使得计算流体力学信息能够应用于气动伺服弹性以及设计优化当中。采用小波方法建立基于Volterra级数的非定常气动力降阶模型。在模型识别过程中,激励是光滑连续的且以零阶保持方式进行离散,采样频率选择二的整数幂次。近似的一阶Volterra核基于Haar尺度函数族展开,鉴于Volterra核在系统响应中的衰减特性,可在合适的有限时长截断一阶核。为了获得一阶核的各项展开系数,需要求解由输入/输出数据组成的超定方程,其中涉及到奇异值分解算法。为了验证小波方法的有效性,算例选取了二维的NACA64a010翼型。数值仿真结果表明该方法能够比较准确地预测结构小扰动引起的非定常气动力响应且能描述一定的非线性现象。     

Dynamic modeling and simulation of a pressurized system used in flight vehicle

For a typical pressurized system with a novel dual-stage gas pressure reducing regulator, a system model is established with modular models of various typical components. The simulation study on the whole working period shows that the general trends and magnitudes of simulation curves are in agreement with experimental measured curves. As the key component in the pressurized system, the regulator is studied by a series of numerical simulations to reveal the influences of various structure parameters on its stability. Furthermore, the variable ranges which can guarantee the stability of regulator and system are obtained to provide guidance for design. The modeling and analysis approach can be applied to other systems and components.     

Optimal trajectory design accounting for the stabilization of linear time-varying error dynamics

This study is dedicated to the development of a direct optimal control-based algorithm for trajectory optimization problems that accounts for the closed-loop stability of the trajectory tracking error dynamics already during the optimization. Consequently, the trajectory is designed such that the Linear Time-Varying(LTV) dynamic system, describing the controller’s error dynamics, is stable, while additionally the desired optimality criterion is optimized and all enforced constraints on the traje...