大展弦比飞机几何非线性气动弹性稳定性的线性化方法

基于动力学小扰动假设建立了具有大展弦比机翼柔性飞机的全机几何非线性气动弹性稳定性分析的线性化方法和工程求解流程,并通过复杂算例验证了该方法的工程适用性.对某高空长航时无人机,计算了飞机在平飞设计载荷以及阵风载荷作用下的非线性静变形,在对应的非线性平衡态下对全机进行动力学线性化,计算了考虑静态大变形因素的全机固有振动特性,采用偶极子格网法计算了非定常气动力,进一步分析了全机的气动弹性稳定性,并与传统线性计算结果进行了对比研究.计算结果表明,由于结构大变形引起的几何非线性会引起机翼面内弯曲和扭转的运动耦合,改变相应模态的频率和振型,从而影响气动弹性耦合关系,降低颤振临界速度.传统的线性方法不但不能得到准确的颤振临界速度,而且有可能给出错误的稳定性结论.因此,对于具有大展弦比机翼的高空长航时无人机,以及类似的大柔性飞行器,必须在其设计过程中进行几何非线性气动弹性稳定性分析.     

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．     

气动热-气动弹性双向耦合的高超声速曲面壁板颤振分析方法

建立了气动热、气动弹性双向耦合高超声速二维曲面壁板颤振分析方法．基于柯西霍夫假设和冯卡门非线性应变．位移关系,建立了考虑几何非线性的二维简支曲板的气动．热．弹性分析方程;使用迦辽金方法对方程离散处理,采用四阶龙格．库塔法求解微分方程;三阶活塞理论用于气动力分析;使用参考温度法和平板气动热公式计算气动热．研究中重点考虑：1）气动热与气动弹性双向耦合,既分析气动热对结构刚度的影响,又分析气动弹性对气动热的影响;2）结构温度随飞行时间的积累效应;3）弦向和厚度方向非均匀温度分布的影响;4）曲面壁板的初始变形对壁板颤振发生时刻的影响．通过与传统的只考虑气动热．气动弹性单向耦合的分析结果进行对比,发现基于气动热和气动弹性双向耦合的壁板颤振分析结果更危险,这一点在精确分析中应当予以重视．     

民用客机变弯度机翼优化设计

针对民用客机机翼-机身-平尾构型开展了后缘连续变弯度机翼气动优化设计,并探索了在优化设计中添加俯仰力矩配平约束的必要性.采用自由型面变形(free form deformation,FFD)方法对全机构型进行参数化,可实现机翼型面、后缘弯度和平尾偏转角的改变.采用基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程的离散伴随技术求解气动力系数对设计变量的梯度,并采用序列二次规划算法进行基于梯度的气动优化设计.针对CRM(common research model)构型开展了考虑多约束的气动减阻优化设计,验证了优化设计系统的有效性.在此基础上,针对不同巡航升力系数分别进行了考虑和不考虑全机力矩配平约束的变弯度机翼优化设计.优化结果表明,通过机翼后缘变弯度可以改善机翼展向升力系数分布、减小激波强度;为了获得综合最优的减阻设计结果,必须考虑力矩配平约束.     

可变后缘弯度机翼柔性蒙皮的刚度需求分析

建立了柔性蒙皮在气动载荷作用下的变形分析方法.翼型压力分布计算采用面元法,结构分析采用有限元方法.在此基础上,计算了柔性蒙皮在气动载荷作用下的变形情况以及变形对气动力的影响.数值结果表明:后缘部分的柔性蒙皮在气动载荷作用下被"吸"成鼓包形状;同时,翼型上表面压力在"鼓包"位置出现比较大的变化.采用Jacobs的蒙皮形变准则(蒙皮的最大形变量小于弦长的0.1%),计算和分析了可变形后缘弯度机翼对柔性蒙皮的刚度要求.计算结果表明:对于可变后缘弯度机翼而言,增大蒙皮弯曲刚度和拉伸刚度的比值可以减小蒙皮结构对拉伸刚度的要求.柔性蒙皮的最大形变量是随着其拉伸刚度的降低而增加,但增加的幅度取决于蒙皮弯曲刚度的大小;当蒙皮弯曲刚度大于某个值时,蒙皮的变形量由弯曲刚度来控制,拉伸刚度不在起作用,这对柔性蒙皮的结构设计具有重要的指导意义.     

鸟翼空气动力学机理的研究现状和进展综述

首先,本文力图比较客观全面地回顾、总结和分析影响鸟翼气动特性的四种因素间单独与耦合效应的空气动力学机理研究的现状和存在的问题.其次,在分析和研究现有成果的基础上,根据计算和实验手段等的进步与限制,提出了需要进一步研究的问题、策略和方法.文中涉及的四种主要因素包括鸟翼静态几何外形、四种宏观扑动方式、翼的展弦向动态柔性变形和最近比较受关注的三种小尺度流动控制结构等.文中所讨论的通过力系和涡系分析,在充分考虑翼的静态几何外形、宏观扑动形式及翼的动态柔性变形影响的条件下,进一步揭示三种小尺度流动控制结构单独的气动机理和作用的策略和方法,以及探索这四种因素相互耦合条件下,自然界鸟翼的气动机理和作用的策略和方法,具有一定的理论价值.本文的观点、方法和结论对提高仿生飞行器具有参考意义.     

柔性薄板翼流固耦合振动噪声风洞试验研究

柔性结构在风场中会发生流固耦合振动,其噪声特性要比流场中刚性结构气动噪声更为复杂.通过声学风洞试验,对比研究了流固耦合作用下不同柔性薄板翼模型的气动噪声特性.试验表明,随着结构柔性增加,薄翼气动噪声声压级对风速和迎角变化更加敏感.柔性平板翼噪声的频谱特性和声源位置都与刚性翼明显不同.研究发现,在特定迎角和风速下气动噪声强度会突然显著增强.给出了流固耦合作用下的平板翼气动噪声变化初步规律,为相关流固耦合振动噪声理论分析和数值模拟提供了试验支撑.     

高超声速“准乘波体”构型优化设计方法

乘波体构型以其非常高的气动效率,在高超声速飞行器设计中有着广阔的应用前景.基于各种基准流场的乘波体生成方法的发展,使得在飞行器设计过程中可以根据不同需求选择不同类型的乘波体构型.但是,乘波体构型一般难以直接满足容积率、配平、稳定性等基本的飞行器设计工程需求.针对这一情况,本文结合遗传算法和考虑强黏性干扰效应影响的气动力工程算法,提出了一种"准乘波体"构型优化设计方法.所谓"准乘波体",是指在外形生成过程中保留了乘波体的前缘线,然后对于不同的纵向截面,以相同的型线方程从前缘点出发生成下表面.型线方程以一组幂函数为基函数,通过改变基函数系数即可以不同工程需求为约束条件,借助遗传算法优化获得最优构型.分别获得了无约束条件、以容积率为约束和以在设计点自配平且纵向静稳定为约束的最优"准乘波体"构型.通过CFD数值模拟对相应构型的气动力特性进行了评估,结果表明:"准乘波体"构型流场能够保持较好的"乘波"特性且下表面压力分布较为均匀,可以获得比原乘波体更高的升阻比;通过引入不同约束条件获得的最优"准乘波体"构型,可以在一定范围内灵活地改变容积率,并且在优化过程中可以实现在设计点处满足配平和纵向静稳定要求.     

表面催化特性对火星进入气固耦合热效应的影响研究

高超声速进入火星大气层过程特殊且复杂的高温真实气体效应及气固界面热化学作用给火星进入器耦合气动热环境的精准预测带来巨大挑战.针对火星进入气固耦合问题,建立非平衡气动热环境和结构热响应的耦合计算方法,开展进入器防热大底高超声速非平衡气动加热和结构传热的耦合计算分析,获得了典型弹道点上气固界面非平衡热化学作用对耦合加热的影响规律.耦合分析表明,壁温梯度所致的对流热流和组分扩散热流均对高超声速非平衡气动加热有较大影响;当前耦合计算状态下组分扩散热流占总热流的主要部分,尤其CO2部分影响最大;所计算的热防护系统能够有效阻止气动热向舱内传递,防隔热性能良好,表面热流与辐射散热可快速趋于局部热辐射平衡,可采用辐射平衡壁面条件解耦模拟气动热环境;完全非催化/完全催化壁面热流随耦合时间逐渐降低,但有限速率催化热流因界面非平衡热化学效应而先增后降;壁面热流与壁温的线性度因界面非平衡热化学所致扩散热流的引入而减弱.     

空间薄壁截面梁的双重非线性有限元模型

本文根据Bernoulli-Euler梁理论和Vlasov薄壁杆件理论,通过设置单元内部节点并对弯曲转角和翘曲角采取独立插值的方法,建立了可考虑剪切变形及其耦合、弯扭耦合和二次剪应力影响的空间薄壁截面梁双重非线性有限元模型.以TL格式描述几何非线性应变,并推得几何刚度矩阵.同时考虑了材料非线性,假定材料为理想弹塑性体,符合Von Mises屈服准则和Prandtle-Reuss增量关系,采用有限分割的方法,由数值积分得到空间薄壁截面梁的弹塑性刚度矩阵.算例表明本文所建模型具有良好的精度,适用于空间薄壁结构的有限元分析.     

悬索桥几何非线性及主缆受力分析

利用离散、节点平衡求解、系统平衡协调迭代的方法求得具有确定长度的缆索在荷载作用下的曲线形式,详细分析了缆索在荷载作用下的挠度及变形。然后将悬索桥分为两大子结构,即主缆柔性结构,及加劲梁、塔柱等劲性结构。在两大子结构间的耦合点建立平衡方程,进行直接迭代求解。文中并对目前较为常用的结构几何非线性求解法进行了深入的探讨。通过算例证明本文方法不仅计算简单,迭代自由度少,而且计算结果完全可以与精确解媲美,完全克服了非线性方程求解中解的飘移现象。     

利用多尺度方法分析基于非局部效应纳米梁的非线性振动

分析基于非局部效应的两端铰支纳米材料梁的横向非线性自由振动. 考虑纳米梁的有限变形导致的几何非线性, 得到系统的运动微分方程. 应用多重尺度方法研究系统的非线性固有频率. 分析结果由数值数例验证, 并重点分析非线性项及非局部效应对固有频率的影响.     

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.     

平面柔顺机构大挠度弹性静力学分析的低维参数化曲率模型

针对以均质细长弹性梁为柔性构件的平面柔顺机构,通过采用Bernstein多项式逼近柔性梁弯曲曲率,提出了一种适用于大挠度强几何非线性弹性静力学分析的低维参数化曲率模型,并给出了基于高斯积分和牛顿拉弗森迭代的数值求解算法.该建模方法的特点是直接以柔性梁弯曲应变即曲率为基本未知场函数,以Bernstein多项式试函数的待定系数为基本未知量,基于最小总势能原理建立系统的几何非线性静力平衡方程.因而避免了传统基于位移的建模求解算法通过求导计算弯曲应变能引入的数值误差,并降低了试函数的光滑性要求,建模精度高、数值计算收敛速度快且直曲梁通用.同时所求参数化曲率解与坐标系无关,具有丰富的几何和力学意义,既能实现刚体位移和柔体变形的统一建模,又能高效呈现细长梁大挠度弯曲复杂、丰富的变形信息.通过多个算例的建模分析,数值计算结果充分证明了本文方法的有效性和优越性.     

一种集成通用高超声速飞行器气动工程预测系统

本文建立了一种面向高超声速飞行器的集成通用气动预测系统.通过引入CAD/CG建模技术实现了复杂飞行器3D几何模型的快速准确建模,并可以利用网络上的共享模型资源直接计算.引入FEM技术和自由网格生成算法,实现了复杂飞行器模型的快速网格生成.设计并开发了通用面元几何分析程序,建立了外法线快速矫正方法.基于面元气动分析理论开发了面元气动分析求解器,实现了面元气动计算和整机气动参数整合,能计算飞行器的气动力、力矩和气动导数.通过软件集成调用技术,将几何建模、面元划分、面元分析、面元气动计算以及后处理集成在统一的软件系统中,实现了高超声速飞行器气动参数的全自动计算与分析.HTV-2和航天飞机的仿真计算结果表明了该系统的有效性.     

CRH3型高速列车气动头型优化计算

本文针对CRH3型高速列车的气动外形设计问题,提出了一套高效的头型气动力优化方法.使用NS方程进行流场求解,结合遗传优化算法和任意网格变形技术,避免了流场计算时几何变形和网格剖分的庞大时间开销,提高了优化计算的效率.通过对设计空间中的设计点进行统计分析,研究了优化设计变量与优化目标之间的相关性,分析出了影响优化目标的几个关键变量,并采用Kriging算法对关键设计变量与优化目标进行了响应面分析,得到了关键设计变量与优化目标之间的非线性关系.最后,通过优化头型与原始头型的气动性能比较,对CRH3型高速列车原始头型的气动稳定型进行了评估.     

基于GA-GRNN的高速列车头三维优化设计

针对CRH380A高速列车头部外气动减问,设计了一种新基于由曲面局部函数参数化方法,出了一套基于实数编码遗传算法滑因义回归神经网络响应面模（GA-GRNN）气动外优化方法.优化果表明：局部函数参数化方法操作简单、实现方,使用少设计参数可以控制较大区域,且能保证变形的光顺性和不同区域间滑过;使用同样样本点进行训练,GA-GRNN比GRNN的预测精高,更容易到全局最优;优化后,CRH380A三编简化外气动力减小8.7%,本文出优化设计方法简单、高效,为高速列车气动外工程优化设计供了新思路.     

考虑尺度效应的微平板声振耦合特性研究

长宽厚均处于微米级的微平板结构广泛存在于微机电系统(MEMS)中,开展其声振耦合特性研究对于MEMS在声激励下的稳定性研究以及微型声传感器的性能研究具有重要意义.针对声压激励下的四边简支微平板结构,基于Cosserat理论与Hamilton变分原理建立了考虑尺度效应的结构声振耦合理论模型,并结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程.基于理论模型开展数值计算,系统研究了尺度效应对微平板结构声振耦合性能的影响,具体讨论了不同尺度效应下板厚度、板长宽等关键系统参数对微平板声振耦合特性的影响,为MEMS中微平板结构的工程优化设计提供了理论参考.     

采用流体网络与气热耦合方法的涡轮叶片复合冷却结构改型设计

将流体网络方法应用于高性能涡轮叶片复合冷却结构的设计中,开发了气热耦合数值计算方法,并对其进行了可靠性验证．对采用复合冷却方式的某型高压动叶内部冷却结构进行基于流体网络分析的快速预测,评估其气动与传热特性．针对网络分析结果,提出3种改进措施,即调整不同冷却通道冷却气体流量、减小通道转弯结构流阻、以及调整局部高温区的内冷几何结构．通过全三维燃气．固体叶片一冷却气流耦合计算验证,指出改型设计降低了叶片表面最高温度,整体温度分布更加均匀,冷气入口参数匹配合理．结果表明,计算方法大大缩短了涡轮叶片复杂冷却结构的设计周期．     

融合体型机身大攻角流动结构及特性研究

针对现代飞机布局中融合体型机身的大攻角复杂绕流,通过测压及PIV风洞实验对头部扰动对融合体机身流动的影响及融合体机身背涡结构进行了研究.在模型头部设置人工扰动的实验表明融合体机身气动特性不会受到头部扰动的影响,常规旋成体机身的不确定性问题在融合体机身中并不存在;其次,大攻角下融合体机身背涡沿轴向从前往后可依次分为锥形流线性发展区、背涡强度衰减区、背涡非对称破裂区及完全破裂区,文中给出了这种背涡结构与相应截面气动力沿轴向变化之间的关系;再次,本文给出了融合体机身背涡涡心轨迹及背涡结构沿轴向分区特性随攻角的演化规律;最后,本文在Re=1.26×105~5.04×105范围内对融合体机身Re数效应的研究进一步证实了前人的结论：融合体型机身绕流对Re数影响的不敏感性,Re数仅对绕流中的二次分离和相应的吸力峰值产生较小的影响.