智能材料和结构在变体飞行器上的应用现状与前景展望简

 变体飞行器可以根据不同的飞行条件改变自身形状以获得最优的气动性能,大大提高飞行器的综合性能,是未来飞行器发展的重要方向之一。新型智能材料和结构具有驱动、变形、承载、传感等特点,为变体飞行器的设计提供了新的技术途径。本文根据不同可变形机翼结构分类,详细阐述了智能材料和结构在自适应结构、智能驱动器和变形蒙皮等方面的研究现状。变体飞行器的实现亟需解决变形/承载一体化蒙皮技术、轻质大输出力驱动器技术和自适应结构技术等关键技术,本文还对智能材料和结构未来在变体飞行器上的应用前景进行了展望。     

一种前后缘连续变弯度翼型气动特性分析

提出了一种基于厚度不变的翼型前后缘连续偏转变形规律,并以NACA0015翼型为例,实现了翼型变弯度的参数化。以柔性伸缩蒙皮支撑结构和机械结构实现了可连续光滑偏转后缘的变弯度翼型,验证了变形规律。以前后缘偏转角度为参数,计算并分析了各个变形状态下翼型扰流流场和气动特性,讨论了变形参数对气动特性的影响,研究了气动特性的产生机理。研究结果表明:在大迎角下,前缘偏转角对翼型失速有一定的抑制作用;在中小迎角范围内,翼型升阻比随着后缘偏转角的增大而增大,且不论迎角如何变化,总可以通过前后缘偏转来获得较高的升阻比。     

具有尾缘襟翼的风力机动力学建模与恒功率控制

具有尾缘襟翼的风力机在大型风力机领域具有广阔的应用前景。在具有可变尾缘襟翼的智能风力机中,通过控制襟翼偏转角可以调节风力机叶片的气动特性,可达到控制风电系统输出的目的。采用叶素动量方法建立了具有尾缘襟翼的风力机气动模型,在此基础上建立了智能风电系统的非线性动力学模型。基于动态逆方法对非线性系统进行线性化,采用H∞状态反馈方法设计了反馈控制器。针对12~16 m/s的阶跃风况和基于四分量模型所建立的实际风况进行了仿真验证,仿真结果表明,所设计的控制系统能有效控制风电系统的输出功率。     

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。     

变体飞行器智能变形与飞行控制技术研究进展

变体飞行器在航空、航天和兵器等领域具有极为重要的应用前景。智能变形与飞行控制技术是包含众多学科和应用的综合性技术。首先归纳了变体飞行器的具体分类及特性,分析了变体飞行器的变形结构和智能材料发展状况,研究了变体飞行器的动力学建模与飞行控制技术,总结了变形技术在微小型飞行器、无人机、高超声速飞行器以及导弹等领域的应用现状,最后展望了全局高度仿生化和高速跨域化、结构与控制耦合影响机制、智能材料和变体结构驱动一体化等亟待突破的关键技术。     

椭圆底扁薄球壳结构的双稳态力学行为

针对可变形鼓包型面设计方案需求,以铰支边界的椭圆底扁薄球壳模型为对象,通过数值仿真研究了结构双稳态构型的转换机理以及需要满足的参数条件;对稳态构型转换中的跳变类型以及影响因素进行了分析;给出了不同驱动方式下,加载位置和形状参数对稳态构型转换需要的临界驱动力以及结构内应变的影响.结果表明:结构在铰支约束下存在双稳态需满足一定的拱高厚度比;稳态构型在转换过程中存在局部跳变和整体跳变组合方式,可以通过选择加载位置和结构参数进行控制;结构发生跳变时的临界载荷和结构内应变与加载方式和结构参数有关.      

变体后缘索网传动机构的优化设计

变体后缘索网机构的驱动效率很大程度上取决于各个索的空间布置。首先,建立了索网机构的力学模型,给出了索网/基板非线性微分方程的差分迭代格式;然后,采用响应面法,建立了驱动力和索蒙皮最小距离的显式函数;最后,采用序列二次规划算法来求解该优化问题。计算结果表明:驱动力和索蒙皮最小距离的响应面模型具有很高的拟合精度;优化后索网机构的驱动力降低了27.7%。     

三角翼机翼摇滚主动控制多学科耦合数值模拟

细长机身和大后掠机翼气动构型的飞行器大攻角飞行时,由于缺少横向阻尼,易发生以绕体轴滚转振动为主的摇滚运动,飞行安全受到严重威胁。针对三角翼摇滚问题,采用动网格技术,建立了气动、运动和控制多学科耦合的数值模拟方法。通过耦合非定常Navier-Stokes方程、刚体运动方程和经典控制律,采用控制面差动偏转的方式对三角翼摇滚主动控制过程进行了数值模拟,并分析了不同控制状态下三角翼受控滚转的运动特性。在来流马赫数为0.3的条件下,实现了80°后掠三角翼摇滚现象的有效控制。     

后缘连续变弯度对跨声速翼型气动特性的影响

针对后缘连续变弯度对跨声速翼型气动特性的影响进行了研究。首先不考虑翼型后缘连续变弯度,基于搭建的优化设计系统对跨声速翼型进行气动减阻优化设计,通过添加不同的约束优化得到两种跨声速翼型:无激波翼型和超临界翼型。然后在这两种翼型的基础上,以后缘偏转角度为设计变量、以阻力系数最小为目标,针对不同的升力系数分别进行优化设计,并根据优化结果深入分析后缘连续变弯度对这两种翼型极曲线特性的影响机理。优化结果表明:无激波翼型与超临界翼型相比,其设计点处的气动特性较好,但鲁棒性较差;升力系数小于设计升力系数时,应用后缘连续变弯度后,无激波翼型的极曲线特性明显提高,减阻最高达到3.9%,而超临界翼型的极曲线特性提高不明显;升力系数大于设计升力系数时,应用后缘连续变弯度后,无激波翼型和超临界翼型的极曲线特性都明显提高,减阻分别达到2.4%~18.1%和1.7%~13.2%。     

Integrated optimization design of smart morphing wing for accurate shape control

Smart morphing wing, which is equipped with smart materials and able to change structural geometry adaptively, can further improve aerodynamic efficiency of aircraft. This paper presents a new integrated layout and topology optimization design for morphing wing driven by shape memory alloys (SMAs). By simultaneously optimizing the layout of smart actuators and topology of wing substrate, the ultimately determined configuration can achieve smooth, continuous and accurate geometric shape changes. In addition, aerodynamic analysis is carried out to compare smart morphing wing with traditional hinged airfoil. Finally, the optimized smart wing structure is constructed and tested to demonstrate and verify the morphing functionality. Application setbacks are also pointed out for further investigation.