复合材料机翼气动弹性剪裁综合研究

研究了铺层厚度、铺层比例、铺层主方向角和厚度多项式对机翼气动弹性性能的影响，利用COMPASS分别对复合材料直机翼、三角翼和前掠翼3种机翼布局进行了位移、频率、发散和颤振速度约束下的气动弹性剪裁设计，获得了不同铺层参数下的优化设计结果。算例计算结果表明，采用多种设计形式能够充分挖掘复合材料使用的潜力，有效地改善机翼的气动弹性性能。     

复合材料结构分析与优化设计程序系统COMPASS

概述复合材料因其优异的比强度、比刚度、抗疲劳特性和可设计性,成为下一代飞机重要的结构材料;它一般可使结构减重25％,通过设计剪裁利用其方向刚度与变形耦合效应,还可有效改善飞机的静气动弹性与颤振品质。复合材料的应用对飞机设计既提供了机遇,也提出了挑战。为此各国都相继开发了复合材料结构的设计剪裁程序如程序:TSO,FASTOP,MBB/LAGRANGE,ELFINI,OPTSYS,ARGON等,以实现技术的飞跃。复合材料前掠翼的气动弹性剪裁设计解决了发散问题就是这类技术成功应用的一个典型例子。复合材料结构分析与优化设计程序系统COMPASS是一个多学科的综合系统,它的研制成     

一种面向工程的气动弹性剪裁技术

以COMPASS为平台研究了蒙皮铺层主方向角对机翼气动弹性的影响,以及采用不同形式的多项式函数表示蒙皮厚度的方法,分析了设计变量的敏度计算方法,并运用优化的方法对两个复材机翼结构进行了位移、频率、发散和颤振速度约束下的剪裁设计,获得了结构响应与主方向角的变化曲线和机翼表面的厚度分布等高线.研究结果表明本方法拓宽了复材机翼的设计手段,具有广阔的应用前景.     

无人机的新颖机翼-前掠翼

飞机采用前掠翼气动布局并非鲜为人知，但无人驾驶飞机采用前掠翼却前所未有。本文通过对前掠翼的气动、结构等特性分析及其关键技术的解决，阐述了前掠翼的应用价值和广阔前景．为未来无人机设计开辟了一条新的领域。     

大展弦比复合材料前掠翼气动弹性分析

对某大展弦比复合材料前掠翼的气动弹性特性随前掠角的变化进行研究，为总体设计选择合适的前掠角提供依据。分析时选取了五种前掠角情况进行了变形分析、模态分析、颤振分析、发散分析和静气弹响应分析。结果表明，随着前掠角的增加，机翼的发散速度逐渐降低，翼尖最大垂直位移、翼尖最大扭角和弹性升力线斜率与刚性升力线斜率的比值均逐渐增大。     

跨音弯掠风扇转子叶片的气动弹性剪裁

跨音风扇进口级增压比的进一步提高,主要受两方面的制约,一是效率,二是气动弹性失稳。这两个因素与转子流场中的激波和激波诱导的大尺度分离紧密相关。激波结构又和转子叶片前缘空间曲线形状直接联系。因此,如何精心设计转子叶片前缘空间曲线形状来控制激波结构,就成了当代风扇气动力学的前沿,并导致风扇弯掠空气动力学概念的出现。在具体设计中,此问题可称之为气动与气动弹性综合剪裁。本文简述综合剪裁中的一个组成部分,即气动弹性剪裁问题,并对一个单级风扇转子叶片给出实例。     

翼尖连接机翼布局弹性气动力探讨

翼尖连接机翼(Joined Wing)布局将后掠的前翼和前掠的后翼在翼尖处用端板相连,后掠翼和前掠翼互相依存,克服平直机翼的局限,提高飞行临界M数,减小诱导阻力,抑制前掠翼的发散倾向.但是该布局的设计参数选择需要气动,结构强度,气动弹性等多学科综合分析,多学科设计优化还需要提供相对于气动设计参数的敏度.探讨了一种翼尖连接机翼布局包含发散速压和变形在内的刚性和弹性气动特性,以及对气动设计参数的敏度,可供该布局的多学科设计优化参考.     

展向动量测定法与前掠翼流动机理研究

为揭示前掠翼与后掠翼的流动差异,研究前掠翼流动的特点和机理,设计了可进行直接比较的具有相同翼型剖面、相同展弦比、无根梢比的前掠45°(Λ=-45°)与后掠45°(Λ=45°)机翼模型,采用基于雷诺平均N-S方程流场求解器对前掠和后掠翼低速纵向气动性能进行数值模拟计算,并提出了展向动量测定法前掠翼流动机理进行了深入分析,研究结果表明:1)前掠翼展向动量输运使得升力向翼根汇聚,前掠翼展向升力分布更接近于椭圆分布,致使前掠翼诱导阻力更小;2)黏性对前掠翼的流场计算影响很大,文献中基于势流理论得到前掠翼比后掠翼气动性能好的结果是不准确的;3)在小迎角时,前掠翼气动效率与后掠翼相当,仅在最大升阻比迎角时前掠翼优于后掠翼,中等迎角下前掠翼翼根分离导致气动效率下降,但前掠翼具有更好的大迎角失速特性,有利于前掠翼大迎角飞行;4)相同总升力的情况下,前掠翼的翼根弯矩只有后掠翼的翼根弯矩的89.4%,采用前掠翼更有利于减轻机翼的结构重量。     

气动弹性剪裁中的响应值敏度

进行了一种用解析方法求气动弹性剪裁中的结构响应值敏度的研究。推导了结构的气动弹性响应(位移,振动形态和频率,静气动弹性效率和发散,颤振 )对设计变量导数的封闭解析表达式。设计变量可包含复合材料结构的铺层方向角。广义气动力导数计及正交振动形态导数的影响。经实例验算,所求得的敏度,与差分法相比,数值上吻合得很好。此方法已成功地应用于 CAE倡导发展的结构优化设计程序系统。     

变弯度机翼参数化气动弹性建模与颤振特性分析

变体飞行器在变体过程中结构质量、刚度和阻尼特性会发生显著变化，导致其气动弹性效应十分复杂。如何高效、准确预测变体过程颤振边界是变体机翼结构动力学设计的难点问题之一。现有的非参数化气动弹性建模方法仅能针对单一变体构型进行颤振分析，对变构型的颤振需重复建模，效率低下且可能存在颤振边界丢失问题。针对后缘连续变弯度的变体机翼颤振分析问题，提出了一种参数化气动弹性建模新方法，并综合非定常气动力、流-固耦合插值和气动弹性建模，对变弯度机翼的参变颤振特性进行系统性分析。为验证该参数化建模方法在预测参变颤振特性的准确性，在变弯度机翼的参变模态特征、气动力计算和颤振预测等方面，进行了数值计算与对比研究。仿真结果表明，该方法可高效准确地预测全参数空间内变体机翼的参变颤振特性。     

前掠翼气动布局及低速纵向实验分析

本文依据低速风洞实验、载荷分布计算和跨超音速面积律计算,分析了前掠翼布局飞机的气动特性,提出了提高前掠翼气动特性的措施,并用对称性原理解决面涡法和面积律计算方法对前掠翼布局的应用。实验研究和计算表明:前掠翼布局有较好的气动特性,翼梢小翼可提高前掠翼的升力及升阻比。近距耦合的鸭翼及前掠翼翼根填块对改善前掠翼根的气流分离有显著效果。前掠冀比后掠翼更接近最佳载荷分布。有鸭翼的前掠翼组合体的轴向截面分布较易接近最佳当量截面分布,因而可显著减小零升波阻。     

大展弦比前掠翼气动隐身多目标优化

前掠翼布局优越的气动性能为无人机气动布局设计提供了一条新的方向。采用CST方法对翼型几何外形进行参数化描述,实现前掠翼气动和隐身多学科优化设计模型的参数化描述。建立了基于N-S方程的计算流体力学方法的前掠翼气动分析模型和基于矩量法的计算电磁学方法的前掠翼隐身分析模型。提出了基于Kriging模型的前掠翼气动隐身多目标优化方法,采用拉丁超方试验设计方法获取样本点,建立前掠翼气动和隐身的Kriging代理模型。将Pareto多目标遗传算法与Kriging代理模型结合进行大展弦比前掠翼的气动隐身多目标优化设计。研究结果表明,所建立的分析模型是合理的,所提出的多目标优化设计方法是可行的,能够有效提高大展弦比前掠翼性能与优化效率。     

复材机翼气弹特性工程化设计分析技术

本文在静气弹的基本原理分析基础上,发展了机翼气弹特性工程化设计方法：基于参数化的机翼气动弹性模型,研究了复合材料机翼整体蒙皮重要设计参数对舵效、静变形和静强度的影响,采用变参分析方法进行了灵敏度分析,获取影响舵效的关键参数变化趋势,用以指导舵效气动弹性剪裁优化设计。对优化设计结果进行了工程化的处理并进行校核,获得了工程可用的蒙皮铺层设计方案,在改善舵效使其满足飞机性能要求的同时,还获得了满意的减重105 kg（总质量的14%）效益。     

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。     

叶片颤振抑制技术的研究

本文简要介绍了近年来在叶片颤振抑制技术方面所做的研究工作,包括全频段叶片颤振预估;叶片三心设计与抑制颤振特性;叶片错频抑颤特性;叶片气动弹性剪裁抑颤技术和“叶片颤振系列”实验等问题。     

机翼掠角对前掠翼布局气动性能影响的流动机理

采用N-S方程和SST模型数值模拟方法,对比了前掠翼和后掠翼飞机气动性能的差异,对不同前掠角前掠翼布局的飞机纵向气动性能进行了比较,分析了其流动特性,总结了前掠角对前掠翼布局气动性能的影响.研究结果表明,前掠翼与后掠翼气动性能差异的根源是展向速度的不同;小迎角(α<16°)时,前掠角较小的模型气动效率较高,升力系数和升阻比也较大;大迎角(α>16°)时,随着前掠角的增大,前缘涡和侧缘涡增强,对翼面流动产生有利控制,因而前掠角大的模型升力系数较大.该研究可为前掠翼布局的设计提供理论依据.     

多控制面对前掠翼静气动弹性响应影响数值研究

针对多控制面对弹性前掠翼静气弹响应的影响,提出了基于计算流体力学/计算结构力学的松耦合静气动弹性数值计算方法。计算和分析了亚声速条件下前、后缘控制面联合偏转对前掠翼模型的气动特性和弹性变形特性的影响。计算结果表明,前、后缘控制面联合偏转时,后缘控制面对前掠翼气动特性和弹性变形特性的影响占主导地位,弹性前掠翼的气动特性和弹性变形特性均得到提高。     

前掠翼布局中鸭翼气动影响的数值模拟

 采用三维Navier-Stokes方程和剪切应力输运（SST）湍流模型,就鸭翼不同位置和形状对前掠翼鸭式布局气动性能的影响进行数值模拟,并针对风洞试验方法难于分部件研究机翼、鸭翼以及机身各自气动特性的缺点,对布局升阻特性按部件分解研究并分析流动机理。研究结果表明：前掠翼鸭式布局气动性能（特别是在大迎角情况下）与鸭翼位置及其形状紧密相关,高位近距后掠式鸭翼可以与机翼产生更为有利的相互干扰,与无鸭翼布局相比最大升力系数提高约28.3%,最大升阻比提高约15.4%,大大地提高了前掠翼布局的纵向气动性能。该研究结果可为先进前掠翼布局飞机的预研和发展提供一定的理论参考。     

高超声速进气道气动弹性的影响研究

为了研究气动弹性对高超声速进气道性能的影响,基于模态方法对不同厚度的二维进气道薄壁结构进行气动弹性分析。首先,对DLR中GK01二维进气道实验模型进行数值模拟,计算结果与实验结果吻合较好,验证了计算方法的可靠性。以此模型为研究对象,在时域内,对不同厚度的二维进气道薄壁结构进行气动弹性分析,其中二维进气道的模态数据从三维模态数据中提取。计算结果表明:(1)随薄壁结构厚度的增加,进气道的气动弹性特性由发散变为收敛,由于结构的固有频率比较接近,广义位移随时间的变化历程表现出"拍"效应;(2)即使是较小幅度的振动,也会对进气道性能产生较明显的影响,对于本文模型,其流量系数、总压恢复系数和压升比的最大变化幅度分别达到14.34%,25.07%和110.37%。因此,设计进气道结构时,应考虑气动弹性的影响。     

复合材料前掠翼的气动弹性优化

复合材料具有特殊的力学性能,拥有更多的可设计变量,可以在不增加质量的前提下进行满足静力、刚度、颤振、发散等要求的前掠机翼的设计。本文使用MSC.NASTRAN有限元分析程序,对前掠机翼进行了优化设计,通过对复合材料前掠机翼的气动弹性剪裁,有效降低了质量,提高了气动性能。