柔性飞机的非线性飞行载荷计算研究

以某歼击机为例,按《军用飞机强度和刚度规范》要求,重点介绍了考虑飞机结构柔性和非线性气动力特性、气动载荷分布的飞行载荷计算方法和计算结果,并对柔性飞机的非线性气动力特性和气动载荷分布对飞行载荷计算状态和严重载荷设计情况选取的影响进行了对比和分析,确定了飞机严重载荷设计情况和设计载荷,从而得出一些具有实际工程参考价值的结论。分析表明,所提出的飞行载荷计算方法合理有效,计算结果合理可信。     

颤振边界高效精确预测分析

高效精确地确定多种飞机构型的颤振边界在飞机设计过程中具有重要意义。为了提高计算效率和计算结果的准确性,针对亚声速和跨声速两种马赫数区域,提出分别采用线性和非线性方法进行非定常气动力分析。非线性分析在引入精确的定常气动力的基础上,采用高效率跨声速小扰动方程进行求解;颤振求解统一采用g 法。对大型飞机的梁架—减缩刚度组合模型的空机及三种典型燃油构型进行涵盖飞行包线的全马赫数变高度颤振分析,结果表明：四种构型的颤振边界与颤振试飞边界一致,与其他分析方法相比,效率有明显提高,尤其是对多种飞机构型能够高效地获得准确的颤振边界,即说明本文采用的方法是目前适用于工程上的一种高效精确的预测大型飞机颤振边界的方法。     

基于CFD的静气动弹性优化设计方法

以三维Navier-Stokes方程为控制方程,数值计算弹性机翼跨音速气动力,耦合结构静平衡方程,研究弹性机翼的静气动弹性变形和真实载荷分布,并在此基础上,对机翼的型架外形进行基于静气动弹性的多学科的优化设计(MDO),以及对机翼进行基于总升力不变的飞行姿态确定,以满足弹性机翼在飞行时的品质设计要求.以某后掠机翼为例,设计结果达到预期目标.     

弹性飞机跨声速机动载荷计算方法

基于跨声速非定常气动力求解的重叠场源法,开展了弹性飞机跨声速机动载荷计算方法研究,为现代飞机结构强度设计提供更加可靠和精确的临界载荷计算方法。首先通过采用重叠场源法求解关于62%根弦俯仰振荡的LANN机翼在马赫数为0.822的非定常气动力并与实验结果进行对比,验证了重叠场源法对跨声速激波效应预测和非定常气动力计算的能力;其次应用频域气动力有理近似技术拟合场源法计算得到的广义气动力系数矩阵,建立了机动载荷分析的状态空间模型;然后完成了某型民用飞机俯仰机动载荷分析,研究了俯仰机动飞行情况下飞机机体状态量及飞机部件载荷响应规律。计算结果表明：考虑机体弹性变形后,机翼和平尾气动载荷响应最大值分别减小了5.1%和10.6%,升降舵气动载荷响应最大值增大了16.2%,在飞机结构强度设计中必须考虑机体弹性效应对飞机部件载荷的影响。     

方向舵蒙皮的壁板颤振分析

针对某飞机出现的方向舵蒙皮壁板颤振故障引发的振动疲劳裂纹问题，进行了相关的分析计算和修改方案。利用MSC．NASTRAN软件，建立了计算壁板颤振的有限元模型，取前15阶固有振动模态构建模态坐标系下的颤振方程。选用ZONA51超声速气动力计算程序分析壁板的气动力，采用空气密度折半的方法来模拟壁板单面承受气动力的情况。计算结果表明，方向舵蒙皮发生了壁板颤振。通过对方向舵蒙皮结构修改方案的进一步分析，表明修改方案能够满足壁板防颤振设计的要求，并且具有相当大的安全裕量。     

改进升力线理论和风洞试验结合的气动弹性修正方法

为了考虑具有大展弦比、弹性翼面结构的飞机翼面结构弹性变形对气动载荷分布的影响.介绍了一种基于亚声速稳态定常流改进升力线理论与风洞试验相结合的大展弦比亚声速飞机的弹性翼面气动力分布载荷修正方法,本方法在飞机翼面载荷设计中,考虑了弹性变形的影响,满足了飞机设计规范中对结构载荷设计的条款要求,对静强度和疲劳设计都有直接影响,...     

机翼优化设计中颤振特性的快速预估方法

某民机型号研制中，为改进飞机性能对机翼部件进行了结构优化设计，而机翼的颤振特性是衡量结构优化设计方案是否满足设计要求的一项重要指标。这里介绍了一种颤振特性快速预估方法，用于研究机翼优化设计中结构刚度降低对机翼颤振特性的影响趋势。并用此方法对该飞机机翼结构优化设计方案进行了机翼翼面刚度及颤振特性预估，迅速评估了优化方案是否满足颤振设计要求。     

跨音速颤振计算方法研究

采用快捷的动态弹性变形技术生成三维块结构动态贴体网格。结构运动方程采用二级精度的龙格—库塔时间推进。气动力求解则用非定常欧拉方程的双时间有限体积推进,外时间为物理时间,与结构运动方程同步;对每个真实物理时间步采用五步Runge Kutta时间推进进行虚拟定常迭代。针对可压流颤振计算中存在的质量不相似问题,采用变质量、变刚度的方法计算出质量匹配点处的颤振速压值,并根据颤振速压随质量或刚度倍数的变化趋势,得出可用的飞机跨音速颤振速压。对一飞机简化外形的跨音速颤振特性计算得到了合理的计算结果。     

先进舰载战斗机强度设计技术发展与实践

舰载战斗机是航空母舰上的主要武器,为满足舰面起飞、着舰和停放等要求,舰载机需围绕起落架系统、拦阻钩系统和翼面折叠系统等"特征结构"进行设计。先进舰载战斗机着舰冲击能量是陆基飞机的6倍以上、拦阻带来的水平载荷超过陆基飞机的15倍,因此特征结构的高载荷对强度设计提出了更高的要求。围绕舰载机"特征结构"及"特征载荷",开展了主要的设计工作,包括："特征载荷"计算,即起落架载荷、拦阻载荷和折叠载荷计算;"特征结构"的强度设计及试验验证,包括起落架系统、拦阻系统、翼面折叠系统的动力学仿真计算、静/疲强度分析、折叠翼面的非线性颤振分析以及综合试验验证;"特征载荷"对其他机体结构强度的影响分析,包括着舰载荷对起落架支撑结构强度的影响、拦阻载荷对后机身支撑结构强度的影响、拦阻着舰的全机动力学响应以及着舰载荷与拦阻载荷的共同作用对全机结构强度的影响;体现舰载机"特征结构"强度特点的试验验证方法等。上述研究成果已成功应用于先进舰载战斗机设计中。     

考虑颤振和突风响应的飞机刚度设计方法

介绍了飞机气动弹性安全性指标——颤振和舒适性指标——突风响应;探讨了飞机飞行品质的舒适性概念;结合飞机工程设计,提出了考虑气动弹性安全性和舒适性的飞机刚度设计方法,给出了一个大展弦比、后掠机翼的刚度设计。算例结果表明,在满足颤振包线的前提下,采用该设计方法使得机翼刚度水平提高了28%,突风响应加速度减小了12.5%,舒适度提高了14.88%。说明在满足颤振安全要求的前提下,通过考虑舒适性的突风响应迭代计算,可以降低飞机突风响应加速度,从而提高飞机的乘坐舒适度。     

飞机非线性飞行载荷计算方法研究

 以贯彻《军用飞机强度和刚度规范》为目标,提出了一整套使用风洞实验非线性气动力数据进行飞机飞行载荷计算的方法,成功地研制了带有载荷数据库的计算分析软件。该软件已成功地运用于 F××飞机的飞行载荷计算。     

民用飞机阵风载荷及减缓技术的研究

由于民用飞机机翼具有大展弦比的特点,因此阵风载荷经常成为民用飞机飞行载荷的严重情况,是各国适航标准重点考察的飞行情况。而且,阵风干扰还会因飞机机体的自身弹性引起结构弹性振动,使飞机结构刚度降低,造成机体疲劳损伤,甚至引起颤振。因此,在民用飞机载荷设计过程中对阵风载荷及其减缓技术进行研究具有非常重要的意义。介绍了民用飞机阵风载荷的原理及相关技术,以及阵风载荷减缓技术中用直接升力控制方法来实现机翼的阵风载荷减缓。     

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。     

弹性飞机尾涡遭遇动响应分析方法

根据库塔-儒可夫斯基定理求解得到飞机产生的尾涡强度,并基于离散阵风非定常气动力计算思路,发展了尾涡非定常气动力计算方法。通过频域求得弹性飞机动响应,再利用傅里叶反变换求得时域动响应。分析了某型飞机垂直穿越尾涡时的机体动响应,尾涡引起的弹性过载最大可达到1.3,在该类飞机的设计过程中需要考虑尾涡引起的动载荷对机体强度安全性的影响。     

大型民用飞机概念方案气动弹性综合分析方法研究

现代大型民用飞机在概念设计阶段需要对机体弹性的影响进行充分考虑。本文利用气动和结构各自学科的工程方法对大型民用飞机概念方案进行气动弹性建模与计算,利用全速势方法进行初步气动载荷分析,利用亚声速偶极子格网法进行非定常气动力的计算,利用梁架模型和刚度缩比方法对结构进行初步建模,利用统计方法计算得到各结构部件的分类重量并在结构模型中完成质量分配,形成可用于概念方案阶段静气弹载荷分析、颤振分析的气动弹性模型,并以大型民用飞机为算例进行分析研究,得到结构弹性对于全机气动特性、变形以及颤振特性的影响。     

高速颤振模型设计中颤振主要模态的判断

颤振模型设计时难以实现完全的动力学相似,需要对颤振主要模态进行合理选择。采用数值分析方法,对颤振模型设计时主要模态的选取问题进行研究。通过各阶模态振型下气动刚度系数的比较、指定运动形式下广义非定常气动力的计算和不同模态截断下颤振结果的收敛特性分析,研究了颤振分析时不同模态运动之间的相互影响,对模态运动引起的气动力和颤振特性变化进行评估。以高超翼面模型为研究对象的数值算例结果表明,几种分析方法所判断的颤振主要模态基本一致。其中基于振型的广义气动刚度系数参数,避免了非定常气动力的计算,可作为颤振模型设计或颤振分析时主要模态选取的快速判断方法。     

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。     

分布式非线性气动力模型弹性飞机动力学研究

建立了线性与非线性两种分布式气动力模型,在弹性飞机模型上添加所建立的气动力模型,验证了整个系统的有效性。对所建立的模型进行着陆及突风扰动动力学仿真,对比线性及非线性气动力模型的飞机动力学响应的差异,结果表明非线性气动力模型能够更合理地计算飞机大迎角状态下的气动载荷及动力学响应。     

非线性方程新解法及其在颤振分析中的应用

 从解析函数保角变换出发提出一种求解非线性方程的新算法——正交搜索法。将该算法用于弹性飞机颤振分析问题，可以准确地解出各种状态下的振动模态。该算法可由计算机自动完成，计算过程简便、直观，对飞机设计及颤振主动抑制系统的综合均有参考价值。     

多学科设计优化方法在飞机设计中的应用研究

多学科设计优化(MDO)方法是提高飞机设计效率,得到最优设计方案的有效手段。在飞机设计过程中,需要确保飞机静安定裕度满足使用要求,因此需要充分考虑总体、气动等学科专业的耦合效应。针对这一问题,基于MDO软件Modelcenter构建飞机外形多学科优化协同设计流程,通过对某型飞机外形优化设计的实例分析,得到该机的最优外形修改方案,证明了MDO方法在飞机设计中应用的高效性。