用于跨/超声速壁板颤振精确分析的流-固耦合有限元算法

为了精确和定量分析超声速与跨声速壁板的颤振特性,提出了一种基于有限元方法的流-固耦合算法,并用其研究了二维壁板颤振问题。首先,给出了壁板的von Kármán几何大变形运动方程,以及高速气流的欧拉控制方程。然后,采用标准有限元方法对壁板方程进行空间离散,而对流动控制方程的离散则运用双时间步长推进的特征线分裂有限元方法,从而有效地消除了流场数值解的振荡问题。随后,采取松耦合算法实现了流体与固体间的数据传递。最后,运用所提出的算法对超声速和跨声速气流作用下壁板的气动弹性特性进行了分析,考察了归一化动压、预紧力和厚度比对系统特性的影响,并将该算法的分析结果与采用线性/非线性活塞理论和线性化势流理论的经典壁板颤振结果进行了对比,证明该算法可以在较宽广的马赫数范围内给出气动力的精确描述,尤其适合于分析跨声速气流下的壁板气动弹性响应。     

多兆瓦级风力机叶片的优化设计与动力学特性分析

考虑实际气流流动过程中周向速度的变化情况,即采用Schmitz理论来设计2 MW风力机叶片的气动外形.将计算得到的叶片翼型参数进行坐标变换,获得各个截面上叶素的三维坐标,利用三维建模软件建立叶片的三维实体模型,并将其导入至有限元分析软件中,进行模态特性和气动弹性分析.讨论了不同铺层厚度和铺层角度对叶片模态特性和气动弹性的影响规律.仿真结果显示:在铺层厚度为0.6mm和铺层角为60°时,叶片具有较好的模态特性;叶片所受的气动集中载荷随着叶片弦长几乎成线性增长,且在弦长最大时集中载荷最大;当铺层角等于44°时,叶片在气动载荷作用下的最大集中应力最小,具有最佳的气动弹性特性.     

考虑机动载荷不确定性的机翼气动弹性优化设计

提出了一种考虑飞行器机动载荷不确定性的气动弹性优化设计方法,并应用于一个小展弦比机翼的结构设计中.针对使用理论线性气动力和风洞试验气动力时存在的不确定性,发展了一种载荷修正模型,用于预测理论线性气动力和风洞试验气动力摄动时的严重载荷.定义了3类严重载荷目标函数,并在4种典型机动状态下,针对机翼三个剖面进行载荷评估,基于序列2次规划法,确定严重载荷状态;在此基础上,以质量最小为目标,以结构应力、变形和颤振速度为约束,采用遗传-敏度混合算法开展气动弹性结构优化设计.所得到的最优结构虽然比单独采用理论线性气动力或试验气动力得到的最优结构要重,但由于在设计之初考虑了气动力的不确定性,因而在实际飞行中遭遇严重载荷时将更具鲁棒性,可降低结构重新设计的风险.     

大型飞机复合材料机翼壁板气动弹性优化设计

以大型飞机复合材料机翼为对象进行气动弹性综合优化设计研究,以机翼蒙皮壁板及相关构件复合材料铺层厚度为设计变量,在满足多种气动弹性与强度/应变约束下对结构重量进行最小化设计,并分析了优化中三种强度/应变约束和蒙皮铺层比例的影响.研究表明：不同组合约束下优化后的复合材料机翼较金属机翼减重效果显著,综合考虑应变与失效准则约束能在兼顾减重效果的同时提高机翼整体刚度水平;铺层比例优化结果表明机翼内段与中段较高的0°铺层比例和外段较高的±45°铺层比例分布能使刚度分布更加高效合理.     

滑模输出反馈控制在二元机翼颤振主动抑制中的应用

本文以经典的二元机翼为对象,研究滑模控制（SMC）用于颤振主动抑制（AFS）的效果,讨论其控制系统的离散化和控制输入限幅等问题.该翼段模型具有一个后缘控制面,用于颤振控制.基于准定常气动力理论建立了系统二自由度（俯仰和沉浮）气动弹性运动方程.控制系统由滑模输出反馈控制方法设计,抑制俯仰-沉浮耦合颤振.研究过程中对系统进行了离散化处理,控制舵偏考虑了限幅约束.采用经典的龙格-库塔（RK）法对方程进行数值求解.仿真结果表明,带有滑模控制系统的闭环系统可以在高于颤振边界速度状态稳定.但是,简单离散化的控制系统遇到控制舵偏限幅时,闭环系统则失去稳定性.随后,基于理论分析,本文提出并设计了一个控制补偿环节,可以使该系统仍具有稳定性.此外,文中还讨论了系统的参数摄动和时间延迟效应.     

基于高阶面元法与模态法的静气动弹性分析方法

建立了一种基于高阶面元法与模态法的静气动弹性分析方法，并基于此方法对弹性机翼进行了静气动弹性分析．基于机翼几何实体模型建立了三维气动力模型，利用高阶面元法计算气动力，通过模态法实现气动与结构的耦合，以AGARD445．6机翼和一个小展弦比机翼为研究对象，分析了机翼结构弹性变形对气动力的影响．本文重点研究了机翼的气动力系数、翼根载荷、结构变形、不同展向位置的压力分布等参数的变化趋势，并将部分结果与风洞试验、基于风洞试验气动力所得弹性结果进行了对比．结果表明：高阶面元法计算所得气动力具有较高的精确性；基于高阶面元法与模态法的静气动弹性分析方法具有可行性、可靠性和高效性，可以提供较为全面的静气动弹性数据为飞机初步设计参考．     

大展弦比叶栅气弹响应的数值研究

对大型承载飞机普遍使用的大展弦比发动机转子叶栅,使用有限单元方法（FEM）建立叶栅模型,然后对叶栅的结构及旋转状态下的动态特性进行分析。同时在不同转速下计算模态和振动频率,对等效应力分布、等效应变分布和整体形变进行求解,并由此绘制了叶栅共振曲线的坎贝尔图,该图显示了固有振动频率和振动响应条件下的共振激励。最后结合在不同转速下的流场稳态计算结果,对叶栅进行在气动力作用下动态响应分析。该模型的气动弹性分析结果表明,基于有限单元法的静压力计算、动频分析方法,在大展弦比叶栅的优化设计参考和振动安全诊断等方面可以提供很大的帮助。     

无伞末敏弹稳定翼片流固耦合特性研究

以某结构双翼无伞末敏弹C型尾翼为研究对象,通过对其进行流固耦合计算,得到此类型尾翼的气动特性。结果表明,尾翼平面部分在气动力作用下仍保持平面形状,两弯折面发生弯曲。刚、弹性尾翼阻力系数及二者的偏差随攻角的增大而减小,在30°攻角时两种尾翼的阻力系数几乎相等。迎风面最大压力随来流速度的增加呈现递增趋势,相同来流速度时,大攻角下的最大压力大于小攻角下的最大压力。尾翼对称面背风面出现两个大小大致相等的涡,呈现蝴蝶状低压区。     

挠性航天器动力学的几个研究方向

本文介绍挠性航天器动力学的几个研究方向：一、弹笥飞行器飞行动力学；二、挠性结构航天器飞行这与控制；三、具有智能结构的挠性航天器动力学建模与控制。     

垂尾跨声速弹性载荷研究

研究了战斗机垂尾在跨声速范围的非线性气动弹性行为和弹性载荷特性。针对飞机垂尾,计算了飞机垂尾的颤振边界,通过CFD／CSD耦合时域内推进结构运动方程,得到弹性结构的响应历程,并记录每一时刻的气动载荷和结构惯性载荷,将气动载荷信息转换到CSD的结点上,加载到结构模型上进行瞬态响应分析,得到结构的动应力响应,计算给出了0°侧滑角时不同马赫数下的颤振边界和Ma=0.9、侧滑角2°和10°时的非定常气动载荷与非定常惯性载荷和弹性载荷的时域响应,分析了惯性载荷、气动载荷和弹性载荷对颤振的影响以及方向舵对垂尾颤振的影响。