考虑大变形的大展弦比机翼气动弹性优化设计

针对大展弦比机翼飞机自身特点,在结构大变形情况下,将弹性力学几何非线性理论引入到大柔性飞行器的气动弹性力学分析中,建立完整的几何非线性气动弹性分析方法框架。该方法主要包含两方面:结构非线性刚度和曲面气动力的计算。结合优化设计,为了提高优化设计效率,针对迭代过程进行有效简化。基于ISIGHT优化平台,发展一种适用于初步设计阶段大展弦比机翼在大变形情况下的气动弹性优化设计方法,有效地避免了结构大变形情况下线性气动弹性分析造成的设计偏差。为了摆脱对初始设计点的依赖,结合局部算法,采用组合优化策略,开展了大展弦比机翼的几何非线性气动弹性优化设计,首先应用蚁群算法定位目标极值在设计空间中所处的区域,再应用直接搜索算法对该区域精确寻优,获得更加准确的设计结果。     

发动机推力对大展弦比机翼颤振边界的影响

为解决现有线性气动力模型对大柔性机翼受发动机推力影响的气动稳定性分析方法的不足,提出了基于计算流体力学(CFD)与Simo几何精确梁模型的非线性气动弹性分析方法。以翼吊式发动机的大展弦比机翼为研究对象,采用横向随动力和集中质量模拟发动机推力和吊挂质量,分别研究了单纯发动机推力和考虑气动载荷联合作用时,发动机推力、结构弯扭刚度比、发动机集中质量以及发动机安装位置等参数对机翼结构颤振特性的影响。数值模拟所采用的大展弦比柔性机翼非线性气动弹性模型耦合了Simo几何精确梁模型和雷诺平均N-S非定常气动力模型,考虑了结构和流场的两场非线性耦合。模拟结果表明:发动机推力对机翼颤振边界影响很大,具体的影响效果取决于上述其他参数的变化;发动机吊舱靠近翼根布置、发动机尽量布置在机翼弹性轴之前、减小机翼弯扭刚度比等布局或设置有利于扩大机翼的颤振包线范围。因此,在进行翼吊式气动布局的设计或分析时,必须考虑发动机推力及其相关参数的影响。     

发动机推力对大展弦比机翼颤振边界影响研究

为解决现有线性气动力模型对大柔性机翼受发动机推力影响的气动稳定性分析方法的不足,提出了基于计算流体力学(CFD)与Simo几何精确梁耦合的非线性气动弹性分析方法。以翼吊式发动机的大展弦比机翼为研究对象,采用横向随动力和集中质量模拟发动机推力和吊挂质量,分别研究了单纯发动机推力和考虑气动载荷联合作用时,发动机推力、结构弯扭刚度比、发动机集中质量以及发动机安装位置等参数对机翼结构颤振特性的影响。数值模拟所采用的大展弦比柔性机翼非线性气动弹性模型耦合了Simo几何精确梁模型和雷诺平均N-S非定常气动力模型,考虑了结构和流场的两场非线性耦合。模拟结果表明:发动机推力对机翼颤振边界影响很大,具体的影响效果取决于上述其他参数的变化;发动机吊舱靠近翼根布置、发动机尽量布置在机翼弹性轴之前、减小机翼弯扭刚度比等布局或设置有利于扩大机翼的颤振包线范围。因此,在进行翼吊式气动布局的设计或分析时,必须考虑发动机推力及其相关参数的影响。     

发动机推力对大展弦比机翼颤振边界影响研究

为解决现有线性气动力模型对大柔性机翼受发动机推力影响的气动稳定性分析方法的不足,提出了基于计算流体力学(CFD)与Simo几何精确梁耦合的非线性气动弹性分析方法。以翼吊式发动机的大展弦比机翼为研究对象,采用横向随动力和集中质量模拟发动机推力和吊挂质量,分别研究了单纯发动机推力和考虑气动载荷联合作用时,发动机推力、结构弯扭刚度比、发动机集中质量以及发动机安装位置等参数对机翼结构颤振特性的影响。数值模拟所采用的大展弦比柔性机翼非线性气动弹性模型耦合了Simo几何精确梁模型和雷诺平均N-S非定常气动力模型,考虑了结构和流场的两场非线性耦合。模拟结果表明:发动机推力对机翼颤振边界影响很大,具体的影响效果取决于上述其他参数的变化;发动机吊舱靠近翼根布置、发动机尽量布置在机翼弹性轴之前、减小机翼弯扭刚度比等布局或设置有利于扩大机翼的颤振包线范围。因此,在进行翼吊式气动布局的设计或分析时,必须考虑发动机推力及其相关参数的影响。     

大展弦比机翼/外挂系统气弹响应研究

综合考虑大展弦比机翼的几何非线性和外挂与机翼连接处的中心间隙非线性,建立了大展弦比机翼/外挂系统的气动弹性力学模型。采用非定常气动力,根据Hamilton原理推导了大展弦比机翼/外挂系统的运动微分方程。运用伽辽金法进行离散,通过数值模拟研究了系统的气动弹性响应及其稳定性。结果表明：中心间隙使系统出现极限环的起始速度明显降低,且在单稳极限环振动速度区间颤振幅值出现跳跃现象;随流速的增加,系统响应呈现出复杂的现象,如拟周期运动、周期运动与混沌运动相间出现、屈曲后颤振等。     

大展弦比飞机机翼弯曲变形分析和测试方法

将大展弦比飞机机翼简化为变截面悬臂梁结构。基于线性叠加原理,将变截面梁划分为n段,推导出梁挠度的计算方程。根据机翼实际尺寸,并考虑机翼自重和外挂载荷建立变截面梁模型,将梁划分为5段、10段、20段计算梁的挠度。利用ANSYS有限元软件中几何非线性迭代方法,分析变截面梁受均布载荷时的变形。理论计算结果和有限元仿真结果吻合,验证了该计算方法的有效性。为计算大展弦比飞机实际飞行过程中机翼实时弯曲变形,在机翼上布置应变计并进行地面标定试验,得到载荷与应变之间的关系方程和机翼各段的弯曲刚度。通过采集飞行实测应变数据,结合标定方程将机翼各测试切面应变-时间历程转化为载荷-时间历程,再利用挠度计算方程计算机翼的实时弯曲变形情况。为大展弦比飞机飞行过程中机翼变形测试提供了一种工程测试途径。     

大展弦比机翼/外挂系统气弹响应的数值研究

综合考虑大展弦比机翼的几何非线性和外挂与机翼连接处的中心间隙非线性,建立了大展弦比机翼/外挂系统的气动弹性力学模型。采用非定常气动力,根据Hamilton原理推导了大展弦比机翼/外挂系统的运动微分方程。运用伽辽金法进行离散,通过数值模拟研究了系统的气动弹性响应及其稳定性。结果表明:中心间隙使系统出现极限环的起始速度明显降低;且在单稳极限环振动速度区间颤振幅值出现跳跃现象;随流速的增加,系统响应呈现出复杂的现象,如拟周期运动、周期运动与混沌运动相间出现、屈曲后颤振等。     

太阳能无人机机翼几何非线性气动弹性分析

以大展弦比机翼为研究对象，结合几何非线性结构有限元建模方法与非线性气动力计算技术，提出了一种利用插值技术求解几何非线性气动弹性问题的方法。并以某太阳能无人机机翼缩比模型为例进行计算分析以及试验研究。研究结果表明：提出的方法得到非线性颤振解与常规方法得到的计算结果基本一致，但应用此方法后，不仅计算效率成倍提高，而且能规避常规方法中由于计算工况设定不合理可能导致的严重计算偏差。     

基于UMARC的大展弦比机翼空气动力建模方法

将旋翼气动建模思想引入大展弦比固定翼,对旋翼飞行器UMARC理论中直升机旋翼空气动力建模方法进行适当改进,建立适应机翼较大变形情况下的空气动力学模型。将大展弦比机翼描述为Bernoulii-Euler梁形式,利用机翼大变形前后坐标系转换关系,推导得到变形后坐标系下机翼任意截面瞬时空气速度并最终建立空气动力载荷模型。利用模型计算机翼气动弹性静平衡位置,经与已有文献结果对比,表明此模型建立方法准确、有效;将UMARC理论移植到大展弦比机翼思想可行;并具较高工程应用前景。     

大展弦比机翼几何非线性气动弹性响应分析

采用UL格式,建立一种适用于结构大变形问题的高精度非线性动响应求解器;通过有理函数拟合,将频域气动力转化为时域下的气动力格式,以紧耦合的方式建立起结构-气动耦合关系。以某大展弦比机翼为例,进行气动弹性响应计算并做颤振分析,可准确预测临界颤振速度;几何非线性对气动弹性响应特性具有显著的影响。     

基于构件模态应变能比的隔震烟风道结构等效线性化分析

对大型烟风道采用热滑移型双凹摩擦摆(thermal sliding double concave friction pendulum system,TS-DCFP)隔震的结构等效线性化方法进行研究。推导了TS-DCFP采用滑移面等效半径、等效摩擦系数表达的三线性滞回模型的等效刚度和等效阻尼比,适于以非线性变形为主的摩擦摆隔震结构。建立了横向地震作用下的二自由度结构动力分析模型,基于构件模态应变能比,推导了振型组合阻尼比公式。采用提出的等效参数对二自由度烟风道隔震结构进行线性时程分析,并与三维模型非线性时程分析结果进行比较。分析表明,TS-DCFP用于烟风道隔震效果相当显著,且本文提出的等效线性化方法对道体反力、底部剪力的估计接近非线性时程分析结果,用于结构初步设计选型很有效。     

隔震桥梁结构的简化反应分析及设计参数研究

在规则隔震桥梁结构简化为2自由度系统的基础上,利用等效线性化方法进一步将以隔震模态为主的2自由度隔震桥梁结构简化为双线性的单自由度隔震系统,考虑了隔震支座的双线性特性,并计入了隔震支座下部结构质量及墩柱粘滞阻尼比等参数对结构响应的影响,提出了相应的计算力学模型,重点讨论了隔震支座的剪切位移延性、硬化刚度比、隔震桥梁结构的质量比、隔震模态周期、墩柱周期及其粘滞阻尼比等参数对隔震桥梁结构在近场地震作用下非线性动力响应的影响,并对隔震支座设计参数的选取给出了合理的选择标准.     

基于全局和局部特征的图像拼接方法

针对传统序列图像拼接算法中的误差累积问题,提出一种基于全局和局部特征的图像拼接方法. 同时拍摄大视场角、低分辨率全局图像和小视场角、高分辨率局部图像,利用深度学习替代传统算法提取两者匹配点,进而根据两者面积比等比例扩大全局图像的匹配点坐标,将局部图像无缩放地投影至全局图像所在平面,最后融合投影后局部图像的重叠区域,拼接形成一幅大视场角、高分辨率全景图像. 实验结果表明,该方法中深度学习快速且精准地实现了特征匹配,同时局部图像间相互独立,有效地解决了拼接顺序限制和拼接误差累积.      

变刚度悬架的虚拟匹配优化

为解决某客车变刚度悬架的匹配优化问题,首先对传统的汽车悬架匹配方法和流程进行了总结,然后提出了基于计算机辅助优化(CAO)技术的虚拟匹配优化方法,并给出了相应的匹配流程.该匹配方法先建立整车的虚拟优化模型,再编制优化匹配程序并设定优化目标,然后联合优化模型仿真进行虚拟匹配.为建立准确的虚拟模型,特对该车的前后轮胎和空满载下簧载惯性参数进行了测试.文中匹配的悬架参数包括前悬架扭杆的扭转刚度、前后减振器的阻尼系数、前后稳定杆的扭转刚度、后悬架板簧的初级刚度与复合刚度和板簧衬套的径向刚度.匹配时需要考虑空载和满载两种状态下的车辆性能.通过虚拟匹配得到了该车变刚度悬架的匹配结果,然后根据该结果试制了悬架样件,最后在某汽车试验场进行了对比验证试验.结果表明,所采用的虚拟匹配方法对变刚度悬架参数的匹配优化是有效可行的,这对汽车底盘的虚拟开发及优化具有一定的借鉴指导意义.     

Large Displacement Analysis of Tapered Beam Structures

A Bernoulli-Euler beam mechanism for static analysis of large displacement,large rotation but small strain planar tapered beam structures is proposed using the Updated Lagrangian formulation and the moving coordinate method.The object beam is the tapered one whose profile is assumed to be varying linearly.From the governing differential equation of lateral deflection including second-order effects by beam-column theory,the geometric nonlinear tangent elemental stiffness matrix is derived.The nonlinear effect of the bending distortions on the axial action is considered to manifest itself as an axial change in length.The aforementioned stiffness matrix is amended,by developing the auxiliary stiffness of bowing effect.The moving coordinate method is employed for obtaining the large displacement total equilibrium equations,and the hinged-hinged moving coordinate system is constructed at the last updated configuration.The multiple load steps Newton-Raphson iteration is adopted for the solution of the nonlinear equations.The validity and efficiency of the proposed method are shown by solving various typical numerical examples.     

小展弦比机翼极端地面效应的气动力研究——计算机代数摄动解法

应用渐近匹配摄动法和计算机代数解法，研究了小展弦比机翼极端地面效应的气动力问题，得到了小展弦比机翼极端地面效应问题的半解析解，并与相应的面元法的结果进行了比较，以检验其有效性。     

扭曲体型高层网筒结构体系的结构布置及基本性能

为配合扭曲体型高层建筑方案,提出扭曲体型高层网筒结构体系,给出其结构布置,分析扭曲程度对结构基本性能的影响。通过系列模型计算,探讨了旋转角、主环梁层间距、结构高宽比等几何参数对结构抗侧性能的影响。其中,旋转角和结构高宽比是主要影响参数,主环梁层间距影响不大。扭曲结构最大抗侧刚度对应的层旋转角存在一个适宜区间,随着高宽比的增大,此角度区间范围变窄;在此区间内扭曲体型能够有效提高抗侧刚度,在此区间之外其抗侧性能则比传统非扭曲结构差。当结构总旋转角为90°时,不同高宽比的扭曲结构都具有最优抗侧性能。扭曲结构虽然受力合理,但是从底部算起至少半数楼层的主环梁必须考虑竖向荷载产生的轴拉力,而且考虑主环梁轴拉力的楼层数占总层数的比例随着高宽比的增大而增大。扭曲体型高层网筒结构体系具有良好的结构效率和抗侧性能。     

半刚性连接空间钢框架结构的二阶非弹性分析

将有限单元法与梁柱法相结合，建立了半刚性连接的空间钢框架结构的二阶弹塑性分析方法。该法综合考虑了几何、材料和半刚性连接效应。基于非线性连续介质力学理论和考虑剪切效应的稳定插值函数建立的严格三维梁柱单元刚度方程，包含了轴向、剪切、双向弯曲与扭转及其各耦合效应。三维单元简化塑性区模型可模拟塑性扩展，利用梁单元两端抗转弹簧来模拟半刚性连接效应。使用包括几何、材料和连接非线性的数值算例来检验文中方法和所编计算机程序的可行性、有效性与精确度。算例表明，利用该程序，每个构件只需一个单元即可准确预测三维结构的极限荷载与失稳模态，可提高结构非线性空间性能的分析效率。该程序可用于三维结构的多重非线性全过程分析，为建立高层钢结构的高等分析方法奠定了基础。