弹性机翼阵风减缓控制策略风洞试验

介绍了2种用于弹性机翼阵风减缓的控制策略。第1种控制策略是模态阻尼增强的阵风减缓（MDEGA）,通过反馈翼尖振动速度驱动副翼做卸载偏转,从而减缓机翼的动载荷及振动。第2种控制策略是基于阵风感知的阵风抑制（GSBGS）,由阵风探测器感知阵风速度并前馈给副翼做出偏转,利用副翼操纵力抵消阵风载荷。为验证2种控制策略的实施效果,以某弹性飞机缩比模型的大展弦比机翼为研究对象,进行了阵风载荷减缓原理风洞试验。试验结果表明2种控制器对机翼一弯模态的阵风响应减缓效果显著,翼根弯矩和翼尖过载峰值的减缓量均超过50%。与MDEGA相比GSBGS对峰值外频率点阵风响应的减缓更加有效。2种控制策略各具特点,可为工程设计提供参考：MDEGA等效于增加结构阻尼,不需要精确测量阵风,但受气动伺服弹性稳定性约束;GSBGS是开环控制,不改变飞机动态特性,但严重依赖于阵风探测的精度。     

基于自适应随机优化的连续阵风关键载荷预测

连续阵风载荷是构成民用飞机设计工况的主要载荷之一，在设计阶段，任意一轮的模型更新都涉及到上万种载荷工况的计算，然而其中仅个别工况构成载荷包线，需进行强度校核。为此发展了一套阵风关键载荷的快速识别方法。首先，采用二水平全因子（2LFF）采样获取得到初始计算工况，基于已计算得到的载荷值，结合多元自适应回归样条（MARS）建立一个可靠的代理模型；然后，在此基础上，开创性地应用自适应随机优化技术，实现对阵风关键工况及载荷的主动搜索；最后，以适航条款规定的侧向连续阵风载荷进行方法验证及参数影响研究。计算结果表明，本文建立的方法可以高效且准确地实现连续阵风关键载荷的预测，针对本文算例，关键载荷的预测值与基准值相比误差小于1%。     

阵风减缓系统传感器失效影响研究

阵风减缓系统可以有效降低机翼的阵风载荷,然而由于系统本身以及失效模式中存在大量不确定性,极大地增加了设计和审定的复杂程度。通过蒙特卡洛方法研究了阵风减缓系统传感器卡死失效的影响,考虑阵风输入和失效传感器的不确定性,以通用运输机模型为算例,分别在时域和频域内对1-cosine离散阵风和冯·卡门谱连续湍流的翼尖加速度响应进行了仿真计算,给出了在系统正常工作和失效时翼尖加速度最大/最小值以及功率谱密度均方根的概率分布。为阵风减缓系统的适航符合性验证及审定中系统失效影响分析提供了指导方法和技术支持。     

温度载荷下装药内外径比和长径比对结构完整性影响的规律研究

在固体火箭发动机装药设计中通常将药柱的外径与内径之比定义为m数(m=R/r)为研究装药设计参数m数和药柱长径比在温度载荷下对装药结构完整性的影响, 采用基于Total Lagrangian方法的热粘弹性大变形增量本构关系, 通过选取9种m数以及8种药柱长径比, 共72个计算模型, 对装药结构完整性进行了计算, 结果表明温度载荷下药柱最大Von Mises等效应力、应变值受药柱m数以及长径比共同影响.并得出当长径比大于3时, 药柱最大等效应力、应变值主要取决于m数的结论.      

飞机螺旋桨低噪声多学科优化设计与试验验证研究

为进一步降低飞机螺旋桨气动噪声,针对飞机螺旋桨开展综合考虑气动、噪声和结构强度的低噪声多学科优化设计与试验验证。采用基于涡格法的升力面理论进行螺旋桨气动性能计算,基于Hanson频域远场噪声计算方法进行螺旋桨远场噪声评估,2种计算方法都通过与试验对比验证精度,由此组成螺旋桨气动-噪声联合算法;以桨叶沿叶高分布的弦长、安装角和侧掠为设计变量,充分考虑桨叶结构强度对设计变量的约束,以螺旋桨推力、效率不降低和远场噪声降噪最大为优化目标;优化桨叶通过了离心载荷试验、气动载荷试验、动态特性试验等强度试验;在气动声学风洞内完成了气动与声学性能验证,优化螺旋桨相比原始桨气动性能基本保持不变,优化螺旋桨在设计工况的1阶离散分量处的远场气动噪声峰值降低2.7dB,较小推力下降噪量最高可达4dB,2阶离散分量处也有明显的降噪效果。提出的方法同时满足气动、噪声和结构强度要求。     

基于遗传算法的复合材料平尾优化设计方法研究

主要研究直升机复合材料平尾在设计气动载荷作用下铺层优化设计的方案。将有限元计算分析软件PATRAN/NASTRAN与遗传算法相结合,通过ISIGHT优化平台软件来实现具体迭代过程,再以C++编程实现设计变量输入及计算结果输出的自动化,加强ISIGHT设计优化软件的封闭性,保证了优化过程正确有效。计算结果得出优化后的平尾结构质量为21.33kg,最大位移57.5mm,较设计初值减轻了15.87kg,比目前的某型直升机金属平尾减轻了3.59kg,最大位移减少了3.51mm。经分析得出此优化方法可以有效处理复合材料结构优化问题,计算结果满足工程设计要求。     

一种基于承载效率准则的复合材料机翼结构布局优化方法(英文)

提出一种针对大型复合材料机翼结构的二级布局优化策略。系统级根据结构形变调整设计指标,子系统级优化结构布局以满足系统级约束。将机翼壁板中各种临界失效载荷的接近程度作为评判结构效率的标准,通过将结构效率作为优化目标,保证了所求解问题的连续性。加筋壁板通过等效的正交异性板模拟,并根据能量原理预测总体失稳载荷。讨论了加强筋支持弹性对于蒙皮抵抗局部失稳性能的影响,并通过神经网络代理模型对其进行逼近。采用解析模型对失效特性做出评估,减少了计算资源的占用。最后以一种大型机翼结构的综合优化作为算例,计算结果满足设计要求,验证了该方法的可行性。     

飞机连续阵风载荷计算方法应用研究

描述了连续阵风载荷计算的方法及其应用。在紊流气动力、结构振动附加气动力、弹性力及惯性力的耦合作用下,通过在频域内联立求解结构振动方程,获得了响应量(位移、载荷)的频响函数。并依据民用飞机适航条例要求进行了垂向阵风载荷计算。     

大展弦比机翼翼段气动弹性效应下拓扑优化分析

针对大展弦比机翼,根据巡航飞行状态气动载荷,采用拓扑优化方法进行结构优化及减重设计。机翼气动载荷由CFD/CSD耦合数值计算方法获得,载荷分布考虑了气动弹性变形下载荷大小和分布形式的变化。拓扑优化采用密度法,以结构减重指标为约束,以整体柔度最小为目标,采用商用软件开展分析。采用选择性激光烧结工艺并使用尼龙材料进行3D打印拓扑优化结构,验证了优化后结构的可加工性。     

民机典型连接结构优化设计

介绍了拓扑优化和尺寸优化的特点,给出了飞机结构优化设计的方法和流程。选取民机吊挂典型连接结构为研究案例,建立了相应的有限元模型及优化模型,采用拓扑优化与尺寸二级优化的方法,完成了典型结构在多种民机载荷工况下的结构优化设计分析,优化结构达到了预期的目标,通过分析,阐明了该优化设计方法的可行性。     

低速飞机分布式非线性气动模型建模方法

针对低速类大展弦比飞机阵风载荷分析与风场飞行的仿真问题,提出了一种基于二维翼型气动特性的全机三维分布式非线性气动模型的建模方法。将采用该方法的计算结果与采用CFD的计算结果进行了对比,证明了该方法可以精确模拟低速类大展弦比飞机的气动特性。以此为基础,进行了无人机在1-Cosine型阵风作用下的飞行仿真。结果表明,低速类大展弦比飞机在遇到阵风时,会出现与传统问题完全不同的阵风过载与飞行特性。     

阵风载荷减缓系统故障分析

阵风引起的额外载荷会引起飞机结构疲劳,降低结构使用寿命。采用非定常气动力有理函数拟合方法建立时域状态空间下的动力学系统,设计了阵风载荷减缓系统。研究了阵风载荷减缓系统3种典型故障模式(副翼偏转饱和、舵机卡死、副翼偏转延时)的力学建模方法,并对机翼在阵风减缓系统故障模式下的阵风响应进行分析。仿真结果表明,3种故障模式均不利于阵风载荷减缓系统对阵风载荷的减缓,对于一些特定情况,故障模式下的阵风载荷减缓系统不仅不能减缓阵风载荷,还会带来由副翼偏转不当引起的额外负载。     

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。     

不同飞行状态下机体耦合桨叶的阵风响应分析

由阵风引起的动态载荷直接影响直升机的飞行品质和结构应力。为在详细设计阶段获得更加真实的直升机载荷信息,在时域中基于中等变形梁理论和非线性气动力模型建立了考虑机体和桨叶耦合效应的气动弹性模型。借助该模型对两种阵风下直升机悬停和前飞的飞行表现进行了考察,并将计算结果与孤立桨叶模型的计算结果进行了对比。在悬停状态下,当桨叶遭受向下的阵风,考虑耦合效应的模型和孤立桨叶模型中的桨根处剪切力以及桨盘的拉力系数均减小。且考虑机体耦合效应的模型计算数值小于孤立桨叶模型计算的数值。在前飞状态下,当模型添加阵风后,桨根剪切力增加,考虑机体耦合效应的桨盘升力系数减小。在前飞状态下,前进比为0.35的计算结果和前进比为0.2的计算结果不同。从计算结果来看,孤立桨叶模型计算结果偏保守。为获得更精确的阵风响应预测信息,必须考虑机体耦合效应。     

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%。     

拓扑优化技术在几何非线性结构刚度设计中的应用

论述了大变形结构的拓扑优化技术。用拉格郎日有限元方法模拟结构的几何非线性特性，用牛顿－辛甫生迭代算法求解平衡方程；用伴随算法计算了目标函数的灵敏度，并且用活动渐近线的方法解决了优化技术问题。为了获得自由方格和独立网格设计而采用了过滤算法；为使计算收敛而采用了连续算法。文中采用了不同的目标函数。对于固定载荷的最小柔度法会导致柔度退化拓扑结构，这些拓扑结构对较小或较大载荷都无效。得到只支持设计载荷退化的“优化”拓扑结构存在的问题要比获得结构线性响应存在的问题更明显。通过优化多载荷条件下的结构或通过最小化辅助弹性功可避免这些问题的出现。列举的例子表明采用线性和非线性模拟方法所得到优化结构的刚度差异基本上很小，但是，在考虑屈曲影响和快速穿透影响等情况时，不同之处却很大。     

机翼的气动伺服弹性设计优化研究

以气动伺服弹性特性为约束和目标,对一个大展弦比机翼进行了结构/控制设计优化。该机翼具有双梁式结构和一个用于阵风响应减缓的主动控制面。在气动伺服弹性分析模型的基础上,建立了优化问题的数学描述。选取结构刚度和控制器参数为设计变量,以发散、无控和有控情况的颤振为约束条件,以结构重量和阵风响应组合性能为目标函数。采用遗传算法进行优化,得到的最优设计结果与原基准模型相比,机翼在满足气动弹性稳定的约束条件下,结构重量有所减轻,且阵风响应显著地减缓。     

航空金属次加筋壁板及其稳定性研究

航空轻量化结构的设计与制造目前是航空工业与学术界研究的热点问题。引入了金属次加筋板的概念,简要阐述了其定义与研究进展。对引入次加筋之后,加筋板可能出现的新的屈曲模态进行了探讨。利用有限元软件ABAQUS建立了次加筋板模型,分析了线性屈曲性能,并与文献中的试验数据进行对比,验证了有限元模拟的有效性。最后建立了针对次加筋结构的优化框架,在等重情况下,对次加筋结构的位置与尺寸进行优化,得到了临界屈曲载荷与极限承载能力都优于原始设计的优化结构设计。结果表明,次加筋板作为对传统加筋板的一种改进,拓展了设计空间,并能够有效提升传统加筋板的稳定性能,值得航空工业进一步研究。     

基于CFD降阶模型的阵风减缓主动控制研究

飞行器飞行时会受到大气紊流的影响,降低飞行品质。阵风减缓控制是改善飞行器飞行性能的关键技术。现有的阵风响应分析多以离散阵风为研究对象,对更加真实描述大气紊流的连续型阵风时域分析关注较少。采用成形滤波器方法将频域形式给出的大气紊流信号转换为时域信号。在跨声速区域内,利用系统辨识技术,基于计算流体力学(CFD)方法建立阵风激励下的气动载荷状态空间降阶模型(ROM)。为方便控制器设计,借助平衡模态法进行模型的进一步降阶。使用模型预测控制(MPC)算法通过控制操纵面偏转实现阵风减缓主动控制。以AGARD445.6标模作为仿真算例,验证基于ROM设计的阵风减缓控制律的有效性。仿真结果表明,在跨声速飞行状态下,模型预测控制器能够在满足操纵面偏转范围的约束下,对连续阵风激励下的翼根弯矩输出进行有效抑制。     

多控制面机翼阵风减缓主动控制与风洞试验验证

针对某大展弦比多控制面弹性机翼风洞模型,分别从频域和时域进行阵风响应分析和阵风响应减缓控制律设计.采用经典控制理论设计控制律,通过操纵位于0.6和0.8翼展处的内外侧控制面减小由正弦阵风引起的翼尖加速度(WTA).低频段的阵风减缓的数值分析与风洞试验结果均表明:多控制面的阵风减缓效果优于单控制面.当来流速度为14 m/s时,针对频率为2～5 Hz的阵风,采用多控制面得到的WTA减小10%～24%;当来流速度在8～16 m/s时,针对频率为2 Hz的正弦阵风,闭环状态下的翼尖加速度减小10%～40%;结构有限元模型与真实模型存在工程允许的误差导致理论与试验结果存在一定的误差.本文的工作对工程实际中采用阵风减缓技术具有参考价值.