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。     

结构动力学与颤振约束下无人机机翼优化设计

提出了同时考虑结构动力学约束和颤振约束的优化设计方法,建立了利用规划优化算法求解问题的流程,并将其融入大型CAE软件系统HAJIF2013中,研究了优化问题中目标函数和约束条件的选取方式。以某型无人机机翼颤振模型为算例,利用拉盖尔迭代方法自动计算颤振速度,并对优化算法的有效性进行了验证。研究表明,所提出的优化设计方法有效,实现了整个优化求解流程的自动化,对工程设计具有指导意义。     

具有操纵面间隙非线性二维翼段的气动弹性分析

 基于Theodorsen 理论和Wagner 函数,提出了不可压缩流作用下三自由度二维翼段任意运动非定常气动力表达式。对操纵面自由度具有的间隙非线性,建立了二维翼段气动弹性系统无量纲分段线性运动方程。数值仿真预示了系统极限环振动的相轨迹、无量纲振动幅值和频率,表明操纵面铰链处存在的间隙非线性将导致整个系统的极限环振动;随着来流速度的增加,系统极限环振动的幅值和频率都存在跳跃现象。     

非线性二元机翼气动弹性近似解析研究

 建立了不可压流动中多项式迟滞非线性二元机翼的气动弹性运动方程,然后利用谐波平衡法进行了求解。与数值积分结果比较分析表明,在系统发生二次分叉以前,谐波平衡法可以准确地预测极限环振荡的频率和振幅,通过频谱分析与时间响应历程讨论了谐波平衡法产生误差的原因。另外还研究了弹性轴位置对颤振特性的影响,随着弹性轴不断靠近翼弦中点,俯仰振幅不断增大,而沉浮振幅则存在一个极小值点。     

Nonlinear Aeroelastic Response of High-aspect-ratio Flexible Wings

The aeroelastic analysis of high-altitude, long-endurance (HALE) aircraft that features high-aspect-ratio flexible wings needs take into account structural geometrical nonlinearities and dynamic stall. For a generic nonlinear aeroelastic system, besides the stability boundary, the characteristics of the limit-cycle oscillation (LCO) should also be accurately predicted. In order to conduct nonlinear aeroelastic analysis of high-aspect-ratio flexible wings, a first-order, state-space model is developed by combining a geometrically exact, nonlinear anisotropic beam model with nonlinear ONERA (Edlin) dynamic stall model. The present investigations focus on the initiation and sustaining mechanism of the LCO and the effects of flight speed and drag on aeroelastic behaviors. Numerical results indicate that structural geometrical nonlinearities could lead to the LCO without stall occurring. As flight speed increases, dynamic stall becomes dominant and the LCO increasingly complicated. Drag could be negligible for LCO type, but should be considered to exactly predict the onset speed of flutter or LCO of high-aspect-ratio flexible wings.     

V型尾翼布局弹性体飞机操纵性分析

使用静气动弹性分析方法,对双尾撑V型尾翼布局飞机纵向静气动弹性特性随飞行动压、迎角、尾撑纵向弯曲刚度的变化趋势进行了分析,以期为类似布局飞机的设计提供参考。尾撑结构刚度对飞机的俯仰、偏航的操纵效率都有较大影响,需要结合飞行动压范围和质量要求合理选择尾撑结构的材料和尺寸,在设计时,严格控制尾撑的刚度指标。     

3种气动弹性状态空间建模方法的对比

研究气动弹性状态空间建模的3种常用方法:最小二乘(LS)法、最小状态(MS)法和拟合状态空间(MA)法.用2个算例从颤振和频响特性角度分析和总结了它们的建模特点.在气动力有理函数拟合建模方法(LS法、MS法)研究中,着重分析滞后根的影响;在MA法的研究中,讨论了建模的特点.最后,系统对比了3种建模方法的建模效果及使用原则,为这些方法的工程应用提供参考.仿真计算结果表明,MS法建立的模型阶数低、精度适中且使用方便,是比较好的方法,而MA法建立的模型频响特性与参考结果最为接近.     

支撑翼布局客机总体参数对结构重量的影响

针对支撑翼布局客机在总体设计阶段对结构重量分析评估的需求,建立结构重量与支撑翼总体参数之间的定量描述关系。利用有限元分析求解工程梁模型的方法建立考虑静强度和颤振约束的支撑翼结构分析模型,采用全速势方程加边界层修正的方法建立气动载荷计算模型,在此基础上建立支撑翼总体参数与主承力结构尺寸的优化流程,实现支撑翼结构概念设计优化及重量分析。以支撑翼客机为对象的算例研究表明,应用这一优化流程能够分析总体参数对结构重量的影响规律,并实现定量描述,可以为支撑翼布局客机概念方案设计提供技术支持和数据参考。     

基于Broyden法的旋翼多体系统气动弹性分析

建立了旋翼多体系统气动弹性模型并给出了一种适合于该模型响应计算的数值计算方法。采用柔性多体系统动力学方法建立旋翼气动弹性模型,利用驱动约束显著简化约束方程形式,集成大变形桨叶模型,准确考虑变形的非线性,适合于对采用柔性结构的先进旋翼进行气动弹性分析。基于Broyden法改进隐式积分法积分一步中非线性方程的求解,避免求取切线矩阵和矩阵求逆运算,保持隐式积分法具有较好稳定性的同时提高计算效率,解决了旋翼多体系统气动弹性力学方程隐式表达且具有较强非线性和较高刚性比造成的响应计算困难。通过模型旋翼桨叶响应计算验证了结构模型与气动弹性响应求解方法。采用建立的气动弹性模型计算悬停和前飞状态旋翼气动弹性稳定性,与试验结果对比验证了模型的正确性。研究了不同的稳定性计算方法、桨叶结构模型和入流模型等对悬停和前飞稳定性计算的影响,结果表明本文所采用的结构、气动模型及气动弹性稳定性计算方法提高了气动弹性稳定性分析精度。     

前行桨叶概念旋翼气动弹性响应分析

基于CFD/CSD松耦合策略,建立了前行桨叶概念（ABC）旋翼气动弹性分析方法.CFD计算中以非定常Euler/N-S方程为控制方程,通过动态重叠网格及动网格方法实现桨叶的运动及变形;桨叶结构模型通过中等变形梁理论得到;CFD和CSD数据每隔一个旋转周期交换一次.以XH-59A直升机为例,对不同前飞速度下的旋翼效率进行了分析,计算结果与试验值吻合良好.然后对旋翼振动载荷、桨尖间距、升力偏移量及桨叶载荷进行了分析,研究了前飞速度、旋翼交叉角、提前操纵角等参数对上述动力学性能的影响.该文方法具有很好的分析精度和工程适用性,分析结果可为前行桨叶概念旋翼设计提供重要参考.