飞行器刚体运动与气动弹性相互作用问题研究

通过联立求解空气动力学基本方程、飞行动力学运动方程和弹性结构振动方程,在时间域内模拟和分析了大展弦比飞机纵向动力学稳定性问题。结合动网格技术,气动力计算采用基于欧拉方程的计算流体力学方法,结构变形和飞行姿态位置变化统一为模态表示方法,通过松耦合将飞行器姿态稳定性和结构变形稳定性施行了模拟。以某大展弦比机翼飞机为算例,研究了其刚体运动和机翼的弹性振动的相互影响。结果表明：对于具有大展弦比机翼的飞机,其机翼的低阶弹性模态易与飞机飞行中本身的刚体模态发生耦合,从而导致飞机机翼的气动弹性发散以及飞机本身刚体运动稳定性的改变。对于这类飞机,在其气动弹性和飞行稳定性的分析和设计中必须充分考虑到两种运动的相互影响。     

基于CFD／CSD的大展弦比机翼气动弹性分析

大展弦比飞机在飞行过程中受气动载荷影响,其大展弦比机翼产生弯曲和扭转变形,这种弹性变形严重影响飞机的飞行性能和飞行安全,不能将此种飞机机翼当作传统的刚性机翼进行气动分析。针对一大展弦比机翼,采用气动／结构耦合分析方法,利用计算流体动力学（CFD）软件CFX和计算结构动力学（CSD）软件ANSYS联合求解,研究了在不同载荷情况下大展弦比机翼静气动弹性变形对机翼气动特性的影响。结果表明,大展弦比无人机机翼受载变形后升阻比降低,升力下降明显,阻力略有上升,机翼翼尖容易失速。     

变质心控制飞行器建模技术及运动机理研究

以单质量块滚转通道变质心控制再入飞行器为研究对象,研究变质心控制飞行器动力学建模技术及其运动机理。基于牛顿力学建模法及多刚体理论建立了变质心控制再入飞行器动力学模型,并对因质量块运动产生的力矩进行了分析。仿真结果表明,由质心偏移引起的附加气动力矩是变质心控制的主导控制力矩,且质量块的不同安装位置及质量比将影响控制性能。     

基于超单元的大展弦比机翼建模方法

<正>机翼的展弦比指的是翼展的平方与机翼面积之比或翼展与机翼弦长之比。一般认为,展弦比大于5的机翼就是大展弦比机翼。近十多年来高空长航时飞机越来越受到重视,在长期侦察监控、环境监测和通讯等军民用方面具有广阔的发展前景。为了满足高空长航时的性能和追求高的气动效率,飞机机翼大多采用大展弦比机翼。超单元分析方法是求解大型问题的一种十分有效的手段,该方法把整体结构分化成多个子部件进行分析,每个超单元的处理都形成一组减缩矩阵(质量、阻尼、刚度和     

考虑机翼几何非线性的气动弹性建模与分析

大展弦比柔性机翼结构重量轻、气动效率高,广泛应用于高空长航时无人机(UAVs)。飞行过程中,这类机翼在气动力作用下发生大变形,线性结构模型不再适用,需要建立考虑几何大变形的结构模型。采用牛顿力学方法推导了考虑结构几何非线性的机翼结构动力学模型,该方法推导过程简洁、物理意义明确,可以与Hodges基于哈密顿原理的推导方法相互补充,相互验证。为了能够更准确地求解大展弦比柔性机翼的非定常气动力,建立了能够考虑机翼三维效应且适用于机翼空间大变形的非定常气动力模型。基于建立的非线性结构模型和非定常气动力模型,采用松耦合方法建立了非线性气动弹性模型,并通过算例验证了气弹模型的准确性。研究结果表明,大展弦比柔性机翼颤振速度对来流迎角和机翼的展长均较为敏感;当来流速度大于颤振速度时,由于几何非线性,机翼振动并未发散而是形成稳定的极限环振荡(LCO);随着来流速度进一步增加,机翼再次穿过临界稳定点,由不稳定系统变为稳定系统,直到随着速度的增加系统再次达到临界稳定状态。     

小型太阳能无人机超大展弦比轻质主梁设计

太阳能无人机表面需要铺设太阳能电池,这就要求太阳能无人机的结构要同时满足不影响太阳能电池效率的光学特性和要达到足够强度、刚度的力学特性。文章针对小型太阳能飞机超大展弦比机翼进行轻质化结构设计,过程中充分考虑超大展弦比机翼的柔性变形,对比不同的设计方案并提出合理设计方案。     

弹性飞翼无人机鲁棒姿态控制设计

针对大展弦比飞翼布局无人机的刚体运动与弹性运动耦合动力学模型,提出了一种基于反步法的鲁棒非线性控制方法。该方法考虑了飞翼无人机的非线性因素,将动态面反步控制作为内环控制抵消系统的非线性因素;同时考虑系统实际存在的弹性耦合项、参数不确定项以及外部扰动,将内环反步控制与飞翼无人机模型整体作为新的被控对象,引入最优化理论对新的被控对象设计了外环鲁棒控制器。仿真结果表明,所提出的控制器不仅满足飞翼无人机姿态跟踪性能的要求,且对模型不确定性和气动弹性影响具有鲁棒性。     

特大展弦比机翼的特性与设计

大展弦比机翼有明显的升/阻(L/D)优势。但随着机翼展弦比的增大,在机翼结构重量控制条件下,机翼成柔性机翼,飞行中机翼的弹性变形量随速压(1/2ρV2)增大而增大,出现了严重的气动/结构耦合的问题。本文阐述了耦合问题的成因和解决途径,为特大展弦比机翼飞机(长航时无人机)的设计提供参考。     

考虑刚体/弹性耦合的飞机动稳定性研究

以大展弦比无人机为例,研究刚体运动对飞机纵向气动伺服弹性(ASE)稳定性以及弹性运动对飞机纵向飞行力学稳定性的影响。针对带有反馈控制的飞机,建立了时域的刚体/弹性耦合运动方程;以刚体运动频率与一阶弹性频率的比值为参数,分别研究有无刚体模态时的ASE系统稳定裕度和有无弹性模态时的飞行力学稳定裕度。数值仿真表明,当飞机刚体运动频率与一阶弹性频率的比值大于0.01时,飞机刚体运动对ASE稳定裕度的影响逐渐显现;当该频率比值大于0.03时,飞机弹性运动对飞行力学稳定裕度的影响开始突现;当该频率比大于1时,刚体弹性耦合效应不可忽略。     

复合材料大展弦比机翼动力学建模与颤振分析

新一代航空结构广泛采用复合材料，对复合材料机翼的气动弹性工程化建模和分析是飞机设计的重要任务。应用气动弹性分析理论和方法，对复合材料大展弦比机翼进行了结构有限元建模、模型修正、固有振动特性计算、部件发散与颤振工程分析。本文使用MSC／NASTRAN软件，在复合材料大展弦比机翼的初步静力分析模型基础上，依据结构图纸、相关试验结果反复修改得到合理的机翼结构动力学有限元模型，固有振动计算中采用动力减缩方法消除局部模态并提高计算精度，采用亚音速偶极子格网法求解非定常气动力，并对单独机翼进行了发散和颤振计算分析。     

基于类比策略的柔性翼结构评估方法研究及软件开发

为了对大展弦比机翼结构方案进行全面和快速地评估,借鉴类比的思想,采用大学排名评价作为技术途径,归纳并总结提出基于"大学排名策略"来评估大展弦比机翼结构。首先,将大学排名策略映射到机翼结构评估技术上,根据大学排名评价指标,相应地选取机翼结构评估指标,并逐一评估各单项指标;其次,根据各评估指标的计算方法和原则,提取出机翼结构特征参数;再次,采用基于梯形模糊数互补判断矩阵来确定各个指标权重;最后,构建大展弦比机翼结构综合评估函数(当量品质)。并依据所给出的方法和步骤,开发了评估软件。算例表明,软件不仅可以从多指标、多角度对方案进行快速评估,还体现出实用性和通用性。     

大展弦比机翼的气动弹性问题探讨

在考察国内外高空长航时飞机研究的基础上，对大展弦比机翼的气动弹性问题进行了探讨；分析了结构非线性对大展弦比机翼的气动弹性和飞行载荷的影响；提出了大展弦比机翼气动弹性问题的研究内容，并指出其技术难点。     

某型无人机舰载滑跃仿真分析

对某型大展弦比无人机能否实现上舰进行了起飞仿真分析。首先对无人机的模型进行CFD计算,然后将得到的气动数据用于该无人机的起飞论证中,最后通过改变大展弦比无人机机翼的外形参数来改善飞机的气动性能,实现了满足迎角和下沉量要求下的舰载起飞。研究结果表明,通过调整机翼外形参数来改善升阻特性,可以实现舰载起飞,可为将来同类型的无人机上舰提供一定的借鉴和参考。     

民用飞机突风载荷的自适应前馈控制

<正>飞机穿越阵风区域时,阵风产生附加气动力,引起飞机的刚体运动和弹性振动。阵风激励干扰驾驶员的正常操纵,降低乘坐品质,增加翼根弯矩,缩短结构的疲劳寿命。近十几年来,高空长航时飞机得到了世界的普遍重视,由于其高空、长航时等性能要求,这种飞机具有特别大的展弦比,大展弦比机翼具有展弦比大(可达到35的量级),结构重量轻,柔性大的特点。因此,设计师更倾向于设计具有大柔度结构的飞行器。然而,随着飞机的柔度增大,其刚体频率     

大展弦比复合材料机翼的非线性颤振分析

大展弦比机翼在气动力作用下产生较大变形,颤振速度和颤振频率随之发生明显变化,线性理论难以获得比较合理的解答。综合考虑了结构几何非线性、气动非线性和材料各向异性对机翼运动状态的影响,将复合材料机翼建模为非线性薄壁单闭室截面梁,建立机翼的运动方程,并使用小扰动分析的方法得到机翼在平衡位置附近的振动方程。采用Theodorsen非定常气动理论构建气动模型,获得机翼在平衡位置附近的非线性颤振方程,并利用v-g法判定机翼颤振稳定性。通过算例演示了一些非线性颤振的特点,讨论了铺层角、展弦比、机翼线密度等参数对颤振速度的影响,并与线性理论得到的结果进行对比。     

折叠机翼展开过程气动特性实验研究

针对某型无人机大展弦比折叠机翼展开过程,对其缩比模型在不同迎角、不同机翼掠角状态下的气动特性进行了风洞实验.实验结果表明,布局的气动外形满足巡航设计要求,纵向与横航向稳定性较好,多面组合式机身表面可为全机升力带来有利影响,研究结果可在无人机、巡飞导弹等研究领域得到应用.     

大展弦比机翼模型设计对翼型流场气动特性的影响

采用SST两方程湍流模型,通过求解非定常Navier-Stokes方程,模拟了大展弦比机翼风洞模型振动条件下的翼型流场,总结了翼型不同振动状况下的流场和气动力特点,分析了模型设计中的不同振动情况对风洞试验结果的影响。研究结果表明：在大展弦比机翼风洞模型的设计中,将翼型的重心设计在机翼的弹性轴之后,对风洞试验的精度较为有利。此结论对大展弦比机翼的风洞实验模型设计有指导意义。     

机翼内外翼连接件结构抗疲劳细节设计分析

某大展弦比无人机的内外段机翼连接件结构承受幅值变化较大的交变载荷作用,是该无人机结构的关键件,也是疲劳危险部件。通过对机翼结构进行有限元建模分析和相关理论计算,筛选出疲劳危险部位,并针对其承载特点提出抗疲劳改进措施,探索出改善结构疲劳强度的措施和分析方法,有效地增加了该连接结构的疲劳寿命。     

一种新的基于ANSYS的机翼挠曲变形建模方法

针对传递对准中机翼挠曲变形建模方法适用性差的问题,提出了一种基于有限元分析的不同挂点处弹载子惯导系统的机翼挠曲变形建模方法。以柔性较大的大展弦比机翼为研究对象,建立了薄蒙皮、双翼梁、多肋板式机翼模型。通过绕流分析得到的机翼上、下表面压力分布云图,在此基础上对机翼结构进行气动载荷的加载。根据ANSYS瞬态动力学分析,获取了机翼挠曲变形角的随机过程序列,并利用AR(n)模型代替ARMA(p,q)模型进行建模。采用一种改良卡尔曼滤波算法对模型参数进行估计,并利用信息准则对模型的适应性进行检验。根据参数辨识的结果,最终得到了机翼的挠曲变形模型。     

大展弦比机翼气动外形设计方案研究

根据传统机翼气动外形设计的方案,结合CAD与CFD软件,本文提出了一套机翼气动外形设计流程,包括翼型选择、机翼平面参数确定、建立三维机翼外形模型、流场网格划分和典型飞行条件下的气动计算等多个部分。依据该流程,完成了一个满足设计指标的无人机大展弦比机翼外形的设计,充分说明了该机翼气动外形设计流程的技术可行性。