大展弦比柔性机翼气动特性分析

长航时无人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.针对一真实复合材料大展弦比前掠机翼,采用气动/结构一体化的分析方法,利用计算流体动力学(CFD)软件FLUENT和计算结构动力学(CSD)软件NASTRAN联合求解,研究了在不同载荷情况下大展弦比柔性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,滚转力矩和偏航力矩显著增大,对飞机的纵向和横侧向气动性能产生不利影响,同时也证明此CFD/CSD耦合计算方法可以应用到柔性机翼的气动/结构一体化设计中.      

氢动力无人机大展弦比机翼静气弹特性分析

以氢动力超长航时无人机(UAV)为背景,针对其大展弦比轻质复合材料机翼,采用强耦合方法求解了几何非线性变形下的静气弹特性,对比了弹性机翼与刚性机翼的气动性能,并在此基础上,给出了一种刚性机翼的弹性气动力修正方法。结果表明:相比刚性机翼,弹性机翼巡航状态下的升阻比降低3.2%,滚转力矩导数和偏航力矩导数显著增大,对飞机的气动性能产生不利影响;基于刚性计算结果,对大展弦比机翼进行气动修正,是一种有效的大展弦比轻质机翼气动分析思路。     

基于多点约束的大展弦比机翼静气动弹性计算

基于雷诺平均N-S方程和多块结构网格技术计算大展弦比机翼的气动力.机翼采用梁模型结构,利用有限元方法计算结构变形.建立基于多点约束(MPC,Multi-Point Constrain)的气动、结构数据的双向传递方法.采用MPC数据插值方法快捷地实现自主研发的计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)程序和NASTRAN计算结构力学(CSD,Computational Structural Dynamics)软件的耦合计算,发展出可以考虑结构非线性的静气动弹性CFD/CSD耦合计算方法,该方法比只考虑单方向变形的柔度法更精确.开展了某大展弦比机翼的静气动弹性数值计算分析,结果显示只考虑机翼纵向变形而忽略展向变形对计算结果会有一定影响,而该算例几何非线性影响较小.     

大展弦比柔性复合材料机翼的气动弹性剪裁

在考虑结构几何非线性、气动非线性影响的基础上,由气动弹性问题的最普遍方程,获得大展弦比柔性复合材料机翼颤振问题的非线性稳定性分析方程.使用解析方式推导得到机翼的临界颤振速度、颤振频率对于设计变量的灵敏度表达式.展示了复合材料机翼的铺设构型和铺层角对气动弹性特性的影响,指出产生负弯扭耦合效果的机翼截面构型有利于机翼的气动弹性性能.以机翼颤振速度作为目标函数,复合材料铺层角为设计变量进行了气动剪裁优化设计,在得到最优化的铺层构型和铺层角的同时,也比较了本文解析敏度和数值差分敏度得到的优化结果.      

螺旋桨/大柔性机翼静气动弹性快速分析方法

旋转的螺旋桨滑流掠过机翼将使机翼的气动特性发生改变,在高空超长航时无人机的设计中有必要对大柔性机翼气动弹性问题的螺旋桨滑流影响进行分析.运用Prandtl修正的动量叶素理论分析螺旋桨滑流及面内载荷;采用兰金涡核模拟滑流对机翼的诱导速度;采用三维升力线方法计算机翼定常气动力,利用曲面样条插值方法解决结构/气动耦合问题,并结合非线性有限元静力学计算方法,建立了螺旋桨滑流及面内载荷作用下大柔性机翼静气动弹性问题的快速迭代求解方法.以某大展弦比螺旋桨机翼为例,采用文中所建立方法对其静气动弹性特性进行计算研究.结果表明,旋转的滑流改变了机翼绕流当地攻角,从而影响了机翼气动力和变形分布,且在小前进比时影响更大.所建立的分析方法简便高效,在初步设计阶段有较好的应用前景翼绕流当地攻角,从而影响了机翼气动力和变形分布,且在小前进比时影响更大.所建立的分析方法简便高效,在初步设计阶段有较好的应用前景.      

考虑几何非线性的气动弹性模型缩比方法

随着飞机性能和需求的提高,大展弦比高柔性机翼逐渐成为新型飞机的主要结构形式。这类机翼具有高升阻比、大变形和重量轻等特性,几何非线性效应明显。然而机翼的大展弦比高柔性会带来更大的机翼变形,而机翼大变形则会引起相关的非线性气动弹性行为。为了评估这些非线性气动弹性行为并同时降低设计风险和成本,一般要使用缩比模型进行风洞试验以研究和确认真实飞机的气动弹性特性。基于此,首先使用了传统线性缩比方法来进行缩比,通过刚度质量耦合匹配模态响应法与刚度质量解耦匹配模态响应法这2种线性缩比方法,不断优化缩比结构的设计参数来满足目标缩比值。同时,提出一种动力学有限元模型的非线性静响应-模态协同优化方法,该方法是基于等效静态载荷法的几何非线性气动弹性模型缩比方法,通过2个不同的优化子程序分别匹配全尺寸飞机的非线性静响应和模态振型。结果表明,相比于传统线性缩比模型,考虑几何非线性的缩比模型能够更好地再现全尺寸飞机的非线性气动弹性行为。      

考虑气动力非线性的柔性飞机阵风响应分析

针对大展弦比柔性飞机阵风响应问题,考虑在大攻角(AOA)情况下气动力非线性的影响,通过将修正的Theodorsen方法与片条理论相结合,得到非线性的时域非定常气动力;在此基础上,建立阵风干扰下的大展弦比柔性飞机非线性气动弹性模型,完整地发展了一种新颖的可考虑气动力非线性的大展弦比柔性飞机阵风响应分析方法.结合算例模型开展方法验证和数值仿真,对比翼尖和质心(CG)处阵风附加过载在线性和非线性情况下的变化.算例结果表明,考虑大攻角情况下的气动力非线性后,大展弦比飞机的阵风响应较线性情况有明显变化,翼尖处的阵风附加过载最多可减少41.7%,气动力非线性的影响不可忽视.      

基于应变的几何非线性梁建模与分析

柔性机翼在气动载荷作用下产生较大变形，几何非线性因素不容忽视。利用机翼柔性特点，通常采用梁模型进行结构建模。从几何精确梁理论出发，结合Hamilton原理推导了几何非线性梁的动力学平衡方程。不同于经典的位移基有限元，采用梁广义应变作为插值变量，得到广义质量阵、广义阻尼阵、刚度阵及载荷列向量，建立非线性应变梁模型。结合Newmark数值算法和牛顿-拉夫森（Newdon-Raphson）迭代法建立了动力学方程求解算法。针对典型算例，开展静、动力学分析，并分别与有限元软件的仿真结果进行对比。结果表明：在相当计算精度下，所建模型收敛特性更好。为进一步验证所建模型在工程实际应用中的精度和有效性，开展针对典型大展弦比机翼的地面静力试验。试验表明：仿真结果与激光位移计和光纤传感设备测得的变形值具有较高的一致性，验证了所建模型具有较高精度。     

基于N-S方程串并行计算的机翼优化设计

对典型的大展弦比和中等展弦比机翼在0.7~0.9马赫数区间进行了串行和并行计算的数值校验,证实了以N-S (Navier-Stokes)方程为主控方程的串行和并行流场求解器的正确性,并讨论了并行效率和加速比.结合Powell算法,讨论了在确定的机翼平面形状和翼型的条件下,以升阻比最大为目标的三维机翼截面翼型最大厚度与扭角的优化设计.算例结果表明,厚度的非线性分布和负的扭角会改善机翼流场的流动状态,使机翼的升阻比得到提高,优化设计方法是可行的.      

前掠翼气动布局中鸭翼高度影响的实验

基于前掠翼-鸭式前翼布局的风洞测力实验,分析了距离主机翼较远的鸭翼相对于主机翼的高度对布局纵向气动性能的影响.基于主机翼根弦长的雷诺数约为1.44×10⁵.实验结果表明,较大的主机翼前掠角与较低的鸭翼配合,产生的升力系数增量比较显著.低于主机翼的鸭翼将加强前掠翼布局的缓失速特性.鸭翼增大升力的同时也增大了阻力;大攻角时,鸭翼带来的阻力增量较大.高于主机翼的鸭翼对最大升阻比的改善较多,但也不宜过高.主机翼前掠角较小时,鸭翼改善和提高升阻比的效果比较明显.     

边条/鸭翼对前掠翼和后掠翼气动特性的影响

为分析前掠翼气动布局设计在航空工业中无法得到推广运用的原因,将前掠翼和后掠翼通过加装边条和鸭翼形成简化的边条翼布局、鸭式布局和边条/鸭式布局,从而深入认识前掠翼和后掠翼两种不同布局之间的流动特点以及涡系干扰机理。首先进行算例数值计算,通过对比分析计算结果与试验数据,验证了数值计算方法的可靠性和准确性;然后对不同布局进行数值计算,得到各布局的升力系数曲线;最后通过压力分布云图和流线图对各布局中复杂涡系的干扰机理进行分析。结果表明:基于后掠机翼形成的边条翼布局、鸭式布局和边条/鸭式布局中的涡系之间通过诱导和卷绕作用,涡系相互增强,大幅提高了布局的升力系数并推迟失速迎角,同时加装边条和鸭翼效果更加明显;基于前掠机翼形成的边条翼布局、鸭式布局和边条/鸭式布局中的涡系之间不存在卷绕作用,涡系之间存在碰撞挤压的不利干扰,这使得前掠翼布局在大迎角时的升力系数远远低于相应的后掠翼布局。前掠翼气动布局中的机翼前缘涡在大迎角时无法同鸭翼涡和边条涡相互耦合增强,不能充分地利用非线性升力,这是前掠翼气动布局设计中的一些不足。      

混合遗传算法在气动弹性多学科优化中的应用

利用遗传/敏度混合优化算法对复合材料前掠翼飞机进行气动弹性剪裁设计研究.在满足强度、位移、升力效率、副翼效率、发散速度和颤振速度等约束条件的前提下,以机翼复合材料蒙皮铺层的厚度为设计变量,对蒙皮进行重量最小化设计.研究表明,在飞机结构初步设计阶段单纯使用基于敏度的优化算法,很难满足设计上的要求;使用遗传/敏度混合优化算法可以取得较好的结果,该方法适用于飞机结构初步设计.还研究了偏轴角对优化重量的影响.分析结果显示,对于文中所研究的这类蒙皮使用由0°、90°和±45°纤维组成的铺层的复合材料前掠翼飞机,在满足多个约束条件的前提下,其优化重量对于偏轴角的变化相对不敏感.      

来流局部干扰对三角翼气动特性的影响

通过在三角翼上游加入干扰圆柱的风洞实验方法,研究了来流干扰对微小型飞行器MAV(Micro Air Vehicle)气动特性的影响.结果表明,在刚性和弹性三角翼顶点上游加入圆柱干扰时,两者均出现缓失速,刚性翼产生缓失速与干扰圆柱尾流关系密切,弹性翼的缓失速不仅与此有关,还与弹性翼的振动有关.无干扰或在机翼顶点加入干扰时,在攻角为4°~18°内弹性翼的升力系数比刚性翼的要大,但升阻比相对要小.由于弹性翼的振动与机翼绕流结构、气动力之间的耦合,弹性翼顶点与翼尖振动的主频随着攻角增大呈规律性的变化,失速攻角附近翼尖的振动主频是其涡脱落频率.      

开裂式阻力方向舵流固耦合机理分析

为了探究阻力方向舵开裂状态下的流场形态和流固耦合运动机理,采用计算流体力学(CFD)方法开展了不同开裂角下的二维阻力方向舵的流场计算。基于动力学模态分解(DMD)方法对各流场进行模态分解,分析了各模态的流动特征及频率变化。结果表明,在20°开裂角的范围内,机翼绕流的流场结构以开裂区内的驻涡及后缘脱落涡为主,流场各阶模态频率随来流速度的增大而增大,随开裂角的增大而减小。同时,对不同开裂角的二维翼型开展了流固耦合计算。结果表明,随着折减速度的增加,系统的流固耦合运动形式由涡致振动发展为流动失稳,系统的失稳边界随着开裂角的增大而提高。     

基于索膜有限元模型的翼伞气动变形仿真

对定常状况下翼伞的流固耦合变形问题进行了三维数值模拟。使用有限体积法计算了飞行时的气动载荷,分析了前缘切口和翼肋开孔对压强分布的影响;基于翼伞结构大位移小应变的特点建立了非线性索膜有限元模型,伞衣由不能承受弯矩的膜单元模拟,伞绳和切口加强带由只能单向拉伸受力的索单元模拟,仿真了受气动载荷后翼伞相对于理想设计位置的变形和应力分布。结果表明:该翼伞展长相对于设计值减小,"鼓包"形成后翼型最大厚度增大,伞衣变形后产生了额外的后掠角和攻角;最大等效应力主要集中在翼肋上的开孔和伞绳连接点处,需合理布置加强带以满足强度要求。