变体机翼后缘多学科设计与优化

变体飞机能够改变自身外形适应不同的飞行状态,提高飞行性能,其设计涉及气动、材料、结构等多个学科。本文采用零泊松比蜂窝结构的材料作为柔性蒙皮,设计了一种具备机翼参考面积不因弯度改变而缩减的特点的机翼后缘无缝偏转机构,研究了变体机翼后缘机构多学科设计与优化方法。优化结果表明,优化后的机翼巡航和起降状态都具备良好的气动性能,不但柔性蒙皮可产生大尺度拉伸变形,而且后缘结构均能满足刚度、强度等性能指标,同时机翼结构质量相比初始设计减轻了18%。文中研究的变体机翼多学科优化设计方法,能够快速有效地完成变体机翼无缝偏转后缘优化设计。     

随积冰历程的机翼蒙皮载荷实验研究

积冰改变了翼型的气动外形和绕流流场,使得机翼气动载荷分布产生动态变化.蒙皮作为气动载荷的承受及传递对象,会在气动载荷的动态作用下产生不同的振动响应.以某大弯度翼型为研究对象,提取了典型积冰增长过程中尾缘上下蒙皮振动特征,采用载荷谱方法研究积冰全历程的蒙皮振动及流场变化特性,并分析了不同材质的蒙皮在结冰不同阶段的响应及结...     

变弯度机翼前缘柔性蒙皮优化设计方法与变形机理研究

光滑连续变弯度机翼前缘具有降低噪声和提升气动效率的优势,针对其变厚度柔性蒙皮,目前的研究主要集中于优化方法设计,而缺乏对蒙皮变形机理和变厚度方案优劣的分析。因此,首先对变弯度前缘设计区域进行了定义,然后开展了变弯度机翼前缘的蒙皮变形机理分析,总结出理想条件下柔性蒙皮的变形机理、实际变形与理想变形产生差异的原因及变厚度柔性蒙皮方案的设计难点和局限性,最后以机理分析为基础,提出了后掠变弯度机翼前缘柔性蒙皮的优化设计方法,并以真实翼型的变弯度前缘翼段为研究对象,完成了变形仿真分析。数值模型实现了变厚度柔性蒙皮的高精度变形,验证了该设计方法的有效性。     

地面效应下的不同翼型亚声速气动特性分析

采用数值方法研究了亚声速地面效应条件下不同翼型的气动特性,进一步以Ma=0.5来流工况为例,研究了翼型参数和飞行高度对气动特性的影响。计算结果表明在Ma为0.5、迎角为6°的地效情况下,翼型弯度减小,更容易在翼型前缘产生激波阻力;翼型下翼面后缘弯度增大使得后缘压力更高,升力系数和低头力矩相应增大;随着飞行高度的减小,地效作用加强,翼型下翼面压力增大,下翼面的升力增量大于上翼面吸力损失,机翼升力系数和升阻比增加越来越显著。     

零泊松比蜂窝结构一维变形行为

为满足柔性蒙皮的变形需求,针对一种适用于柔性蒙皮的零泊松比蜂窝结构开展了一维变形行为的研究。首先通过考虑蜂窝胞壁轴向变形及弯曲变形,基于能量法建立了零泊松比蜂窝结构的等效弹性模量理论模型,并分别应用数值分析和试验方法验证了理论模型的正确性。然后分别以铝合金和钢材为基体材料,利用数值分析方法进一步分析了零泊松比蜂窝结构的非线性变形行为,并获得了蜂窝结构的变形量与残余应变的关系。结果表明:蜂窝变形过程中的力学行为与结构的几何参数以及母材的选择有关。因此,可以通过改变蜂窝结构的几何参数,实现蜂窝结构驱动力及残余应变的调节;同时,在选择基体材料时,为兼顾"面内"刚度和"面外"承载能力,不仅应该选用杨氏模量小的材料,减少其驱动力,还应该选用弹性段大的材料,减小残余变形。     

一种智能材料结构在变形体机翼气动特性研究中的应用

为验证所提出的智能材料结构在柔性变后缘机翼气动特性研究中应用的可行性,在跨声速风洞中运用模型变形视频测量技术测量了机翼后缘的偏转变形量,并记录了偏转变形的动态过程。同时测量了上翼面的压力分布。实验马赫数0.4~0.8,模型迎角0°~6°。分析了来流条件对结构变形能力的影响。结果表明:跨声速条件下,智能材料结构在气动载荷作用下能够驱动机翼后缘偏转变形。驱动力一定时,变形能力受到马赫数和迎角等因素影响。马赫数增加会减弱智能材料结构的变形能力,导致变形速度减小,后缘偏转角降低。迎角的影响较为复杂,且与马赫数的影响相互耦合,马赫数越高迎角的影响越强。最后,通过对后缘压力分布形态的分析得出,变形后后缘是否发生流动分离是影响智能材料结构变形能力的关键因素。     

翼型加装格尼襟翼的低雷诺数气动特性实验研究

为了研究低雷诺数下格尼襟翼对翼型气动特性的影响,通过风洞试验研究了Eppler387翼型加装0.5%~5.0%弦长高度格尼襟翼后的气动特性变化,试验雷诺数1.49×105~2.31×105.试验结果表明:低雷诺数下Eppler387翼型加装格尼襟翼后,升力系数和力矩系数明显增大,襟翼高度大于2%弦长时阻力系数显著增大.格尼襟翼在高升力系数下能够起到增大升阻比的作用,适用于微小型飞行器工作在大载荷状态,而0.5%弦长高度的襟翼还能够兼顾中小升力系数下的气动效率,同样适合于微小型飞行器在巡航状态使用.与原翼型相比,加装襟翼后最大升阻比对应的迎角提前,随襟翼高度的增加,翼型升阻比曲线峰值变得不再突出.     

张力场对复合材料层板组合梁连接强度的影响

基于纯剪切方板后屈曲阶段边界受力分析,设计了考虑蒙皮支持刚度的复合材料"工"形层板组合梁试验件,采用对角拉伸加载方式,考察了腹板后屈曲张力场对层板组合梁连接强度的影响,并采用基于黏聚区模型的有限元方法对试验进行了仿真分析,研究了界面的失效过程与机理。研究表明:腹板后屈曲阶段形成的张力场在连接界面上产生附加的剥离载荷,使界面呈现Ⅰ/Ⅱ型复合受力状态,加速界面破坏;考虑蒙皮支持刚度的剪切试验在腹板发生失稳后使蒙皮产生法向变形,一定程度上减弱了界面剥离载荷的增加,梁结构的破坏载荷略有提高;试验的破坏模式表现为腹板的纤维压缩破坏和缘条-蒙皮界面的Ⅰ/Ⅱ型复合断裂;黏聚区模型能够很好地模拟复合材料界面的破坏,仿真与试验基本一致。     

飞行器表面气动载荷的柔性智能蒙皮多参量测量

飞行器表面气动参数特征是飞行器结构设计和安全评估的重要依据,而风洞试验作为最有效的测试手段,通常面临破坏结构、测量物理量单一等问题。提出曲面共形的柔性智能蒙皮测量技术,集成了多种超薄柔性传感器阵列,通过剪纸–拼接的完全共形方式集成到飞行器结构表面,在不改变结构表面形貌的情况下同步实时测量壁面静态压力、脉动压力、温度、壁面剪应力等多种气动参数。在直流式风洞、射流平台和FL–9风洞中对NACA0012机翼和飞行器尾翼进行了变风速和变迎角试验,分析风洞试验中采集获得的多种气动参数,验证了该系统的可用性,为风洞试验中柔性智能蒙皮多参量同步测量气动特性研究提供参考。     

液滴撞击柔性材料表面铺展特性的实验研究

采用高速摄影与计算机图像识别技术,研究了单个液滴撞击不同厚度、不同弹性模量的聚二甲基硅氧烷（PDMS）样品表面后的动态铺展过程,获得了液滴与柔性材料表面的移动接触线直径随时间的变化规律。实验结果表明:柔性材料在撞击过程中受压变形所导致的固体材料粘性能量耗散与系统的总能量相比很小,不会对液滴的铺展过程产生明显影响;在较低的撞击速度下,柔性材料表面形成的润湿脊所导致的粘弹性能量耗散是系统能量耗散的重要因素,且随着柔性材料弹性模量的减小而增大,因此液滴撞击弹性模量较小的PDMS表面时的最大铺展系数相对较小;当撞击速度增大后,粘弹性能量耗散在总能量耗散中所占的比例降低,液滴铺展过程中的液体粘性能量耗散所占比例逐渐升高,柔性材料弹性模量对液滴铺展行为的影响逐渐降低。     

柔性锯齿形尾缘流动分离控制实验的多尺度相干结构研究

本文采用柔性锯齿形尾缘进行了流动分离控制风洞实验。利用高频响热线风速仪测量了翼型尾流场,结合瞬时强度因子迭代算法,在时域、频域提取出多尺度湍流相干结构,分析了弹性振动和柔性形变对扰动传播不稳定性的影响。实验结果表明:尾流中分离区厚度减小5%弦长,柔性锯齿形尾缘跟随来流自适应变形摆动,吸收了约20%的尾缘剪切层中的湍动能,产生的大尺度扰流涡持续传递至前缘剪切层,降低了很大范围低频带宽内的功率谱密度,具有良好的降噪效果;脱落涡中相干结构的振幅和发生频率显著削弱,对尾流分离区边界移动、大型涡包破碎和抑制传播的作用非常明显。     

刚架模型驱动网格曲面保特征变形

将刚架结构受力变形原理应用于网格曲面的变形设计中,提出一种新的曲面造型方法。通过建立与网格拓扑关系一致的刚架模型,运用刚架模型驱动网格曲面变形:即对刚架节点施加载荷或添加几何约束反算出刚架节点载荷,在载荷作用下刚架变形驱动网格曲面变形。针对几何约束变形问题,建立以节点位移为变量,由载荷最小和节点位移最小组成的目标函数,组合使用两种不同的最小化模型,实现不同的变形需求。在变形过程中,采用增大网格曲面特征区域所关联单元体弹性模量的方法,达到整体变形中局部形状特征的保持,避免了传统方法中繁琐的特征信息记录公式。实验结果表明,该变形方法直观方便,可以产生理想的变形效果。     

大展弦比复合材料机翼气动剪裁设计新方法研究

根据机翼气动载荷和机翼弹性变形之间存在的关系,以机翼的总升力不变和结构强度作为约束条件,提出一种新的气动/结构耦合的刚度设计方法。该方法首先通过数值实验设计研究机翼扭转变形和弯曲变形对机翼气动载荷的影响,并用主成分回归方法构建了机翼变形和气动载荷之间的响应面模型。然后以该模型为基础,构建气动/结构一体化设计模型,此模型仅考虑强度约束和总升力不变的要求,放弃了传统优化设计模型中的挠度和扭转约束。通过2种优化模型的对比,说明应用该方法设计出的机翼结构,重量减轻1.23%,机翼总体扭转变形减小33%,刚度设计更为合理。     

计入静位移作用的粘弹阻尼器双线性迟滞模型

在传统的粘弹阻尼器双线性迟滞模型基础上,为了便于参数识别,将滑移迟滞恢复力等效成黏性阻尼力与分段线性弹性力的联合作用,引入指数衰减函数表征弹性力及阻尼力随激振幅值的变化规律,并导出了带静位移的粘弹阻尼器复模量计算模型。提出一种结合复模量及迟滞回线进行参数识别的方法,并通过实例验证了改进模型的准确性及参数识别法的有效性。分析了静位移对迟滞回线及复模量的影响,结果表明:静位移的变化使得迟滞回线沿弹性力曲线移动,并由于非线性刚度的影响,迟滞回线的形状也发生了变化;在模型采用奇次弹性力和线性黏性阻尼力的条件下,储能模量随着静位移的变化成偶次函数的趋势变化,而耗能模量则不受静位移的影响;静位移对储能模量和耗能模量的影响源于粘弹阻尼器刚度和阻尼关于位移的非线性特性。     

计及关节及杆柔性的空间机械臂抓取控制

针对考虑关节及杆柔性的空间机械臂动力学与抓取控制问题,以三连杆柔性机械臂为研究对象,考虑臂杆的横向弯曲变形、纵向拉伸变形及由于横向变形引起的轴向收缩的二阶耦合量等,并通过引用转子扭簧模型来考虑柔性关节的影响,应用Lagrange方程和假设模态法建立动力学模型.引入“动态抓取域”来描述机械臂的抓取过程,采用关节主动阻尼控制来抑制抓取过程中的碰撞激振力,分析了匀速抓取和加速抓取两种策略的机械臂柔性关节的变形特性.仿真结果表明:关节柔性减小了整体碰撞力,在碰撞过程中起到一定的缓冲作用;加速抓取控制下比匀速抓取控制下的关节变形小,前者整体优于后者.     

SMA驱动变体机翼后缘结构力学分析

对基于形状记忆合金（Shape memory alloy,SMA）丝驱动器的多关节变体机翼后缘模型,在指定飞行工况下结构的整体极限偏转角度是最重要的设计指标。本文根据SMA驱动器的力学本构模型,建立了在控制回复状态下的SMA-弹簧模型。基于N S方程编制了2D流场求解器,并使用网格重构技术建立了后缘偏转时的多套流场网格,通过将后缘结构所受的气动载荷力矩对应施加于后缘结构的各个关节,在ANSYS静力分析模块中对后缘的偏转过程进行了数值仿真,考察了变体后缘的整体极限偏转角度。为验证仿真结果,对变体后缘结构进行了模拟加载实验。实验结果表明,本文使用的数值计算方法能够较为准确地预测变体后缘的整体极限偏转角度。     

An Elasticity Model Considering Grain Boundaries and Tensile Orientations for Directionally Solidified Superalloys

In order to investigate the elastic properties of directionally solidified(DS)superalloys,an elasticity model called boundaries elastic model(GBE model),considering grain boundaries and tensile orientations,is proposed in this paper. Two assumptions are adopted in the GBE model:(1)The displacement of grains,which moves along the perpendicular direction,is restricted by the grain boundaries;(2) Grain boundaries influence region(GBIR) is formed around the grain boundaries. Based on the single crystal(SC)calculation method of elastic properties,the GBE model can well predict macroscopic equivalent elastic modulus(Young's modulus)of DS superalloys under different tensile orientations effectively. To demonstrate the correctness of the GBE model,3 D finite element simulation is adopted and tensile experiments on a Ni3 Al-base DS superalloy(IC10)along five tensile orientations are carried out. Meanwhile,the grain boundaries are observed by light microscopy and transmission electron microscope(TEM). Therefore,the GBE model is proved to be feasible by comparing the simulated results with the experiments.     

基于CFD方法的主动襟翼控制旋翼翼型涡特性研究

基于计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术,建立了一个适用于旋翼二维主动襟翼控制(Active flap control,AFC)数值模拟的方法。在满足对翼型参数化分析的前提下,使用Euler方程求解以提高计算速度,并采用嵌套网格方法对AFC旋翼后缘襟翼进行运动控制。应用所建立的方法,首先进行了算例验证计算,然后着重对AFC旋翼翼型进行了数值模拟。在此基础上,进一步开展了AFC旋翼翼型主要参数对后缘涡影响的计算分析。结果表明:提高桨尖马赫数、增加后缘小翼摆动频率能加快涡产生速度;而提高桨尖马赫数、增大后缘小翼摆动幅度和后缘小翼长度能增大涡的强度;但增大后缘小翼与主桨叶缝隙间距仅在一定范围内能够增加涡强度。