耦合六自由度运动弹性飞机阵风响应数值模拟

耦合飞机刚体六自由度运动,考虑飞机结构气动弹性变形,基于全湍流Navier—Stokes方程流场数值模拟方法．建立了离散阵风作用下弹性飞行器气动载荷与飞行姿态响应的数值模拟技术。其中模态空间中结构动力学方程以及六自由度运动方程分别采用四阶R—K进行时间推进求解,采用RadialBasicFunction（RBF）技术进行气动／结构数据耦合。对应飞机姿态以及弹性变形采用RBF与TFI组合模式的动网格方法进行网格更新;以飞翼布局弹性飞机为数值研究对象,研究了离散阵风作用下飞行器的气动载荷响应以及飞行姿态的变化,对比分析了刚性飞行器与弹性飞行器对离散阵风响应的区别,为进一步系统地分析真实飞机飞行品质提供数值平台。     

弹性飞机空投载荷设计技术

飞机进行货物空投是进行飞行载荷设计时所需考虑的机动之一,现有的空投载荷设计方法主要是基于刚体飞机运动方程建立的,尚不能解决弹性飞机遭遇阵风时的货物空投载荷设计问题。为了提高空投载荷设计精度,考虑了飞机的弹性振动自由度,提出了弹性飞机遭遇阵风时的货物空投动响应和结构载荷分析方法。对弹性飞机空投动响应分析的主要难点为线性时变系统的动力学建模:基于稳定基底法,推导了弹性飞机货物空投动响应一般运动方程;采用最小状态(MS)法对频域气动力进行有理函数拟合;利用混合建模方法对时域离散阵风激励进行计算。对弹性飞机单件重装货物空投进行了仿真,重点分析了货物对载机地板的作用力和机翼的受载。仿真结果表明,本文提出的弹性飞机货物空投动响应分析方法可以很好地反映飞机的空投受载情况,能够作为弹性飞机空投载荷设计的手段。     

波阵风中的弹性飞机动力学建模与仿真

爆炸产生的波阵风以超声速或声速传播，且携带了高能扰动能量，它会对飞机产生显著的扰动作用甚至破坏作用。本文阐述了爆炸波阵风的模型，定义了波阵风与飞机的作用方法。将波阵风对飞机的作用折算为下洗效应，采用亚声速偶极子格网法，推导了波阵风对飞机的非定常激励力计算公式，基于此建立了波阵风中的弹性飞机动力学模型，提出了波阵风中的弹性飞机动响应仿真流程。数值仿真结果表明：波阵风激励力计算方法有效，能满足工程实践需求；在质心处，弹性飞机与刚体飞机的动响应差异不大；在翼尖区域，由于气动弹性效应，弹性飞机与刚体飞机的动响应结果有显著差别；波阵风的激励能量主要集中于1 Hz以下，在构建弹性飞机动力学模型时可以忽略振动频率比较高的弹性模态。     

基于气动力降阶的弹性飞机阵风响应仿真分析及验证

低速飞机在阵风作用下容易产生非线性气动力,从而引发非线性气动弹性效应,对飞行安全造成威胁。针对此类问题的分析,经典面元法无法满足计算精度要求,计算流体力学(CFD)/计算结构动力学(CSD)全阶耦合分析效率低下,因此需建立满足工程应用的高精度、高效率的飞行动力学仿真分析模型。针对以上问题提出了一种适用于工程的非线性气动力降阶模型(ROM)用以实现弹性飞机飞行动力学仿真,特别是低速飞机在遭遇大幅值阵风情况下的阵风响应仿真。以风洞试验飞翼飞机模型为对象,利用CFD方法获得了该模型的气动力数据,利用自回归移动平均(ARMA)方法和径向基函数(RBF)神经网络方法分别建立了该模型的线性气动力ROM和非线性修正气动力ROM。结合模型的刚弹耦合飞行动力学方程对模型遭遇阵风情况下的响应进行仿真分析,并将仿真结果和风洞试验结果及CFD/CSD计算结果进行对比。结果表明建立的基于非线性气动力ROM的弹性飞机仿真模型在气动力预测、稳定性分析及阵风响应分析方面的表现都优于基于线性气动力ROM的仿真模型,和试验结果及CFD/CSD分析结果一致性较好,且所建模型在相同工况下的仿真时间远低于CFD/CSD分析方法...     

运输机离散阵风载荷分析

依据CCAR-25-R4对离散阵风载荷设计的规范要求,开展了离散阵风载荷仿真分析,研究了商业软件ZAERO和Nastran在离散阵风载荷计算方面的吻合性。以T型尾翼布局的某支线客机为例,建立了相同的数学模型、选定了相同的仿真参数,分别采用商业软件ZAERO和Nastran进行了离散阵风动响应和动载荷计算。对比结果表明,对于算例飞机,亚声速情况下,ZAERO和Nastran软件在离散阵风载荷计算方面展现了良好的吻合性;大部件的载荷相差小,载荷相对误差的绝对值不大于3%。     

基于速度分裂法的翼型阵风响应及减缓数值模拟

国内现阶段飞行器阵风响应CFD模拟通常采用网格速度法（FVM）,而近年提出的更为准确的速度分裂法（SVM）目前主要针对刚性飞行器阵风响应分析。本文将SVM拓展至弹性翼型的One-Minus-Cosine阵风响应计算和减缓研究。基于动态网格系统非定常Navier-Stokes方程,将阵风条件下的速度场分解为阵风速度与背景速度的叠加,理论推导出SVM阵风模拟控制方程,结果表明,FVM是SVM忽略源项后的一种近似方法。进一步建立起弹性翼型阵风响应预测的CFD/CSD时域耦合算法和基于俯仰控制的阵风响应减缓数值模拟方法。算例分析了NACA0012刚性及弹性翼型的One-Minus-Cosine阵风响应,计算结果与文献数据一致,在此基础上分析了阵风尺度、黏性和结构弹性对阵风响应的影响。开展了NACA64A010弹性翼型One-Minus-Cosine阵风减缓模拟,结果表明：单一的沉浮速度控制输入量更有利于减缓阵风载荷峰值,而沉浮速度、俯仰角相结合的控制输入量则能同时减缓翼型的沉浮和俯仰运动。本文工作可为三维飞行器阵风响应和减缓研究提供参考。     

飞机阵风响应减缓技术综述

为降低阵风对飞机飞行性能与安全的影响,早期往往通过加强飞机结构来抵抗阵风干扰。从20世纪50年代开始,人们逐步发展了基于主动控制的阵风响应减缓技术,并成功应用于多个实际飞机型号,有效降低了阵风响应,提高了飞机的疲劳寿命和飞行品质。国内的相关研究起步较晚,在国产大飞机等项目的需求牵引下,阵风减缓的工程应用已提上日程。本文提出了飞机阵风减缓研究的总体技术路线,并按此路线梳理了以下技术的历史发展和研究现状：首先介绍了阵风减缓的基础数学模型,涉及飞机动力学模型、阵风模型、非定常气动力模型及阵风响应分析方法;其次从减缓控制机理和控制律设计两个方面分析了阵风减缓的设计方法;回顾了阵风减缓风洞试验和飞行试验及实际应用的具体案例;最后概述了阵风减缓研究的前沿进展并总结了亟需解决的关键技术问题,以期为该领域的科研和工程技术人员提供借鉴与帮助。     

一种适用于弹性飞机飞行仿真的补丁方法

现代飞行器呈现轻结构、大柔性和低阻尼等特点，气动弹性效应成为不可忽视的因素，使得弹性飞机存在明显区别于刚性飞机的运动响应。由于弹性飞机飞行仿真需研究刚弹耦合方程，增加了建模和验证的难度。针对该问题，提出了一种适用于弹性飞机飞行仿真的补丁方法，通过广义气动力的拆分和测量信号弹性增量的叠加构成“补丁模块”，将该模块置入6自由度全量方程的刚性飞机飞行仿真中，实现弹性飞机的飞行仿真。该方法充分利用了原有刚性飞机的飞行仿真模型，简化了弹性飞机的建模过程，有利于开展后续工作。以某大展弦比无人机为例，基于“补丁模块”的弹性飞机飞行仿真分析给出了对应的配平方法，并在机动响应、气动力非线性和气动伺服弹性稳定性研究中验证了该飞行仿真方法的可行性和准确性。     

弹性飞机阵风减缓研究

阵风响应减缓可有效抑制飞机由于离散突风和紊流引起的附加过载。以某民机为研究对象,基于飞机结构动力学方程和非定常空气动力学模型,建立弹性飞机在突风作用和控制面偏转联合激励下的开环气动弹性方程。引入坐标变换,建立飞机刚体模态对应的广义坐标与飞行动力学运动变量之间的关系,从而实现气动弹性方程与飞行动力学方程的融合。并以副翼和升降舵为突风减缓控制面。采用俯仰角速率,翼尖加速度和质心加速度作为反馈信号,针对连续突风和离散突风,分别设计相应的控制律。仿真结果表明,减缓系统对翼尖过载、翼根弯矩具有较好的抑制能力。     

基于遗传算法的柔性飞翼布局阵风减缓设计

将飞翼布局飞机的阵风减缓设计转化为多目标优化问题.基于气动伺服弹性稳定裕度修正个体适应度,建立了改进的多目标非支配排序遗传-阵风减缓算法(NSGA-GLA算法).基于无控飞机的阵风响应特性,提出了阵风减缓控制方案.以翼根弯矩、俯仰角速率和舵偏角最小为目标,采用NSGA-GLA算法对控制器增益参数进行了优化.仿真结果表明,所设计的控制器能够有效改善飞机的阵风响应特性,实现阵风减缓.     

飞机机体气动噪声计算方法综述

随着发动机噪声的不断降低,机体气动噪声的影响越来越显著。特别是飞机在进场着陆状态下,增升装置、起落架等已成为最重要的噪声源。长期以来,国外在飞机气动噪声研究方面开展了大量的理论分析、实验研究与数值计算工作,取得了大量的研究成果。尤其是近年来,随着计算流体力学和气动噪声计算方法的日趋成熟,数值计算正在成为飞机气动噪声计算的主要工具,而国内这方面的研究相对滞后。本文针对这种现状试图从气动噪声的基本理论出发,对飞机气动噪声计算方法和已有研究成果等方面进行较全面的介绍,希望能为我国大飞机研制的噪声问题提供一定的参考。     

外吹式襟翼动力增升数值模拟方法研究

针对某运输机简化模型,采用数值模拟分析的方法开展了外吹式襟翼动力增升效能分析研究。本文首先对单独的发动机模型和不带动力装置的增升模型进行数值模拟,计算结果均与实验值吻合良好,表明动力增升效能分析所采用的边界条件处理方法、网格生成策略以及流场计算方法的合理性及适用性。在此基础上对动力增升构型在带发动机喷流效应和通气短舱的两种情况进行数值模拟与对比分析。结果显示其增升效果显著、流场结果合理。表明本文所形成的计算方法与技术思路可靠的、有效的,方法对大型运输机外吹式襟翼动力增升系统的设计分析具有一定的应用价值。     

高平尾布局飞机深失速特性及失速改出伞数值计算与分析

ARJ21飞机是我国自行研制的具有典型T尾布局特点的先进支线飞机。失速和失速特性试飞是ARJ21飞机适航取证试飞最重要的试飞项目之一。高平尾(T尾)布局飞机可能存在深失速运动模态,给飞机的失速特性试飞带来安全风险。本文首先分析了高平尾(T尾)布局飞机的空气动力学特点,剖析了"深失速"现象的产生原因,并在此基础上以ARJ21飞机为算例,结合具体的风洞实验数据库,应用工程估算的方法对动导数进行了补充完善,其次建立了适合预测飞机失速和深失速运动方程的空气动力学模型,并对飞机的运动特性特别是深失速特性进行了仿真计算,计算结果与实际试飞结果取得了较好的一致性;最后选择深失速状态作为失速改出伞设计的临界状态,建立失速改出伞的数学模型,对失速改出伞改出深失速的动态过程进行了仿真计算,验证了失速改出伞改出深失速的设计参数,为失速改出伞的研制提供了参考依据。     

一种高效的壁面距离计算方法

采用CFD(Computational Fluid Dynamic)技术进行湍流效应数值模拟时,经常需要计算流场网格点到最近壁面的距离。当网格规模很大,特别是针对一些动网格问题,壁面距离的计算量很大且费时,影响整个流场求解效率。本文对壁面距离计算的直接算法和基于二叉树技术的ADT(Alternating Digital Tree)快速算法进行了对比分析和研究,提出了一种高效的、基于方盒切割技术的快速计算方法,并采用不同外形的CFD计算网格对该方法进行了验证。计算结果表明,新方法的壁面距离计算效率明显高于直接算法和ADT算法,并具有较好的鲁棒性和通用性,可以便捷地移植到现有的CFD计算程序中,从而提高整个流场的数值计算效率。     

某型飞机发动机的安装推力计算

本文主要研究了一种计算涡扇发动机安装推力的方法。将INSTAL标准进气道/尾喷管设计参数与实际飞机进气道/尾喷管的设计参数相比较,根据INSTAL资料库中介绍的特性数据转换方法,将标准进气道/尾喷管特性参数转换为实际进气道/尾喷管特性参数。再结合飞机发动机的非安装推力计算程序,计算出飞机发动机的安装阻力和安装推力。经过与实际安装推力的资料数据对比,说明本文所用方法误差小,并且充分考虑了不同飞机之间的差异,比一般利用经验公式的方法更可靠。     

预处理AUSMDV格式在微型扑翼绕流数值模拟中的应用

由于微型扑翼的低速低雷诺特性,对其粘性绕流的数值模拟存在较大困难。传统的中心空间离散格式不具有格式耗散而需要加入带有自由度的人工耗散,给计算带来不确定因素;此外,在低速低雷诺条件下,RANS方程组的条件数太大,导致计算收敛缓慢甚至不收敛,需要引入预处理方法加速收敛。本文使用具有低耗散特性的AUSMDV空间离散格式结合预处理方法对扑翼的非定常粘性绕流进行了数值模拟,非定常推进采用了含双时间迭代的LU-SGS隐式时间推进,湍流模型采用了BL模型。计算结果表明,加入预处理能够克服AUSMDV格式难以收敛的缺点,并且与中心格式相比,基于预处理的AUSMDV格式能够更准确地模拟扑翼的非定常粘性绕流,通过将本文计算结果与文献结果对比验证了本文方法的有效性。在此基础上研究了扑翼相关参数对气动特性的影响,对进一步了解扑翼气动力产生机理,指导扑翼的气动设计具有参考价值。     

模拟飞机尾喷焰辐射传输的非结构有限体积法

有限体积法因其物理意义明确,在流动与传热的数值计算中有广泛的应用。在利用有限体积法求解辐射传输问题时,不仅能够保证在每一控制体内辐射能量守恒,还可以保证在每一个控制立体角内辐射能量守恒,因而使得模拟结果具有较高的精度;同时,非结构化网格技术是处理复杂几何形状物理问题的一种有效方法。本文编写了求解辐射传输的非结构化有限体积法程序,将计算结果与其他文献的算例进行了对比,证明了模型和程序的正确性,分析了各种因素对程序计算精度和计算时间的影响。在此基础上,将求解辐射传输的非结构化网格有限体积法程序集成到Fluent软件中,计算了飞机尾喷焰的温度场分布。     

C919飞机增升装置工程应用技术研究进展

本文介绍了C919飞机增升装置设计团队关于CFD工程应用技术研究和试验研究的部分工作进展情况:初步搭建了增升装置气动计算软件平台,编写了三维几何成形程序和两套前置处理程序,提高了增升装置的设计效率和准确性;开展了等弦长带后掠半模(SCCH)和C919飞机增升装置构型半模(LSSS)低速风洞试验研究,验证了C919飞机增升装置设计方法和设计方案的可行性。     

基于径向基函数的优化代理模型应用研究

针对已有径向基函数建模方法在小样本情况下存在的模型精度低,误差大的缺点,本文提出了基于交叉验证技术的径向基函数代理模型构造方法,即在计算径向距离时引入权值系数,通过对其优化以减小模型的预测误差平方和,从而提高模型的精度。采用两种测试函数对本文所提出的方法进行验证,结果证明了本方法相对于传统的径向基函数建模方法可以有效提高模型精度,减小模型误差。最后,将其应用于传感器飞机的总体优化设计之中,结果表明本文所提出的方法是可行的。     

航空连接结构的参数化有限元分析系统设计与开发

本文应用弹塑性有限元数值计算及参数化设计方法,对飞行器典型连接件结构的有限元计算进行了参数化设计,并基于ANSYS平台开发了参数化的连接件结构有限元仿真系统,借助通用有限元软件ANSYS的参数化设计语言APDL与界面设计语言UIDL,完成参数化建模的宏文件设计与参数输入的界面设计及参数传递,初步实现了有限元建模、计算和后处理的全程参数化;实现了对ANSYS的二次开发;利用有限元的子模型技术,在计算开销相对较小的情况下保证了计算精度,从而形成专业化、参数化、高效率的连接件有限元仿真设计系统。文中给出了采用该系统与传统方法比较的算例,可以看出结果有较好的吻合。