高超声速二元机翼迟滞非线性热颤振

采用三阶活塞理论计算非定常气动力,考虑高超声速下气动加热对扭转刚度的影响,对具有结构迟滞非线性的高超声速二元机翼进行热颤振分析,比较不同厚度比对二元机翼的线颤振速度的影响。研究结果表明:高超声速气动热效应降低了机翼的颤振速度;机翼的厚度比对热颤振速度有较大的影响,热颤振速度随厚度比的增大而增大。高超声速二元机翼的非线性热颤振表现为极限环振荡,通过poincare截面获得机翼响应振幅的分岔图;系统分岔速度小于线颤振速度,极限环振动的幅值随流速的增大而迅速增大。     

超音速二元翼极限环颤振的高次线化分析

以一个在俯仰方向带有初偏间隙非线性刚度的超音速二元机翼为模型,研究非线性气动弹性系统的双稳定极限环颤振问题.在利用二阶活塞理论计算非定常气动力和力矩的基础上,采用KBM法一次渐近解的等效线化分析方法对系统的颤振进行了定性分析,最后通过数值模拟验证了理论分析的正确性.     

Z形折叠翼厚度对其气动特性影响分析

Z形折叠翼飞行器可在飞行过程中改变机翼面积,改善气动特性,执行多种任务.然而机翼折叠过程中有效气动面积、重心、气动焦点等参数的变化,会对飞行器气动特性产生较大影响.此外,机翼表面相互靠近,由机翼厚度引发的气动干扰也会导致升力、折叠铰链力矩等气动力发生变化.为此,首先利用薄翼理论和升力面法推导理想气体来流条件下折叠翼的定常气动力表达式.然后,采用CFD法分析折叠过程中折叠角、攻角和机翼厚度对飞行器升力、折叠铰链力矩等气动特性的影响,并将分析结果与升力面法结果对比.结果表明机翼折叠过程中,有效气动面积减小,升力、阻力系数总体呈下降趋势;随着折叠角增大,机翼表面相互靠近产生的低压区强度增加,机翼厚度对折叠翼气动特性影响显著增强.另外相比于CFD法,忽略机翼厚度项的升力面法对于折叠翼的气动力计算会产生较大误差.     

高超音速流中双楔形翼段的颤振分析及PID控制

在高超音速流中,气动力和惯性力的耦合作用可能导致机翼发生颤振。应用三阶活塞理论计算非定常气动力,建立双楔形翼段的运动微分方程;并采用Runge-Kutta法求解翼段的运动微分方程,得到翼段的时间历程及相轨迹线。设计一种PID控制器,可以通过改变控制面角度来抑制翼段的颤振运动。结果表明,PID控制能够有效地抑制机翼的颤振,使系统运动迅速趋于稳定。     

高超声速壁板流固热耦合建模与分析

基于气动热、气动弹性双向耦合的热气弹分析方法,建立了高超声速三维壁板流固热耦合分析模型。气动力计算采用三阶活塞理论,气动热计算采用参考温度法,热传导和结构响应采用有限元方法进行。研究了不同边界条件、飞行轨迹下耦合方式对三维壁板热气弹响应的影响。结果表明:不同流固热耦合机制对高超声速气流中壁板响应预测影响各不相同,表明了研究的必要性。     

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。     

空中加油受油机横侧动操稳特性研究

空中加油时,加油机的气动力和力矩对受油机的操纵影响较大.需对影响大小进行定量分析,得出确定结论.本文对受油机的横侧动稳定性及操纵性进行了研究,确定了作用在受油机上由加油机翼端涡场引起的气动力和力矩的大小,提出一种简化气动模型,并将导数形式的力和力矩用于线性运动方程.研究表明,受油机具有发散的振荡特性,且主要由倾斜和侧向移动组成;飞行员在飞行时可通过不断操纵副翼来控制发散模态,保持飞机稳定.     

基于随机森林的大迎角非线性非定常气动建模方法

提出了一种新的大迎角非线性非定常气动力和气动力矩建模方法.传统的依据物理机理分析、实验观测等来建立飞机气动系数与飞行状态之间的建模方法在大迎角非线性非定常气动力和气动力矩建模中存在着局限性,导致模型精度不高,针对这个问题,提出了随机森林建模方法.根据风洞中飞机大迎角俯仰机动的特点,结合随机森林模型的原理,确定了与大迎角随机森林模型相关的输入特征,通过误差分析实验确定了随机森林模型中决策树个数和内部节点随机选择属性个数等关键参数的取值,利用F-18缩比模型在低速风洞中实验数据进行实验,结果表明,与经典的多项式模型相比所建立的随机森林模型得到的预测结果与真实数据之间的误差更小.      

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。     

一种面向对象的飞行仿真动力学建模方法

大部分飞行模拟器动力学模型都是在已知飞机整机风动和试飞气动数据的情况下,通过对这些气动数据的插值来计算得到飞机的气动力和力矩,本文提出了一种基于飞机各部件的方法。根据空气动力学原理计算出飞机各部件的气动力,然后再考虑整机的影响合成整机的气动力和力矩。然后代入飞机全量运动方程,解出飞机实时的运动参数。     

倾转旋翼-机翼气动干扰准定常多重参考系仿真和风洞试验

倾转过渡状态下气动力的急剧变化是导致倾转旋翼飞行器姿不稳定重要原因。采用风洞试验和数值仿真方法研究前飞状态和倾转过渡状态倾转旋翼对机翼的气动干扰。首先,分别计算了悬停状态标模和前飞状态8038旋翼的拉力,数值仿真结果与试验结果符合良好。然后,针对倾转旋翼-机翼气动干扰建立了计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）数值仿真模型和搭建了风洞试验平台。结果表明：前飞状态随着前进比的增大机翼气动力系数降低且趋于与单机翼气动特性一致。倾转过渡状态,当旋翼倾角小于75°,随着前进比的增大机翼升力系数由负值逐渐增大。倾转角对机翼气动特性的影响随前进比的增大而降低。分析了倾转旋翼-机翼在升力方向和前飞方向上的气动力,研究结果对进一步完善倾转旋翼飞机设计及试飞试验成功提供了参考。     

基于高精度模型的机翼气动结构多学科设计优化方法

利用低自由度协同优化方法对轻型飞机机翼进行了气动/结构多学科设计优化,气动和结构两个子系统实现了并行,其中气动分析采用CFD软件Fluent,结构分析优化采用有限元软件MSC.Patran＆Nastran。建立了基于Catia、Gambit和Fluent等通用软件的气动自动化分析模型。提出了利用三系数四次响应面模型拟合机翼上的升力分布以实现不同子系统并行和气动力的传递。以气动自动化分析模型和三系数四次响应面气动载荷分布模型为基础,提出了面向高精度气动分析的气动分析代理模型的建立方法。机翼优化结果表明LDFCO/V1方法可以成功地利用高精度模型实现机翼气动/结构多学科设计优化。     

流固单向耦合的能量法及机翼颤振预测

为准确预测机翼颤振边界,发展了一种基于流固单向耦合的能量方法。首先,为考虑机翼振动对流场的影响,采用课题组所发展的快速动网格技术更新流场网格;然后,在更新后的网格上采用SIMPLE算法求解基于任意欧拉拉格朗日格式的雷诺时均纳维斯托克斯方程,计算出流场压力。通过机翼表面压力计算机翼的气动力,进而计算机翼的气动功,将气动阻尼等效为黏性阻尼,通过等效黏性阻尼公式计算得到机翼振动的气动阻尼;最后,通过气动阻尼来判断机翼的颤振边界。采用所提能量方法对wing 445.6的气动阻尼进行了分析,并计算了其无因次颤振流速,计算得到的无因次颤振流速与实验值的相对偏差大约为1.5%。研究发现,在跨声速条件下wing445.6的气动阻尼随着模态阶数的增加逐渐增加。通过分析机翼表面气动功的分布发现,在跨声速流动中机翼附近流场的激波是产生正气动功的主要原因,也就是说机翼跨声速颤振主要是由激波引起的。     

机翼气动结构多学科设计优化研究

为解决大展弦比机翼气动和结构学科的耦合分析及优化耗时问题,采用高精度计算流体力学(CFD)与计算结构动力学(CSD)模型耦合分析的方法,得到耦合分析后最终真实变形情况下的应力状态和气动力性能,指出大展弦比机翼气动结构耦合分析的必要性.对自适应响应面法进行改进,提出一种基于模糊聚类自适应径向基的全局优化策略,研究了该策略的全局寻优能力和优化效率.运用该优化策略对考虑气动结构耦合分析的大展弦比机翼结构进行多学科设计优化研究.研究结果表明该气动结构耦合分析方法可行有效,并且该优化策略提高了优化效率.     

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CFD方法的机翼外形静气弹修正

对于大展弦比的民机设计,基于CFD方法通过气动结构耦合进行机翼外形静气弹修正。本文通过对巡航外形的气动力和重力卸载,计算飞机的型架外形。基于型架外形,通过气动结构耦合进行多次迭代计算,得到弹性变形收敛后的巡航外形。     

展向自适应机翼总体气动特性分析

针对展向自适应机翼的气动特性随折叠角度变化的问题,以经典翼型NACA0012为基础,设计了内外段比例为7∶1的展向自适应机翼。基于结构化网格和雷诺平均N-S方程,采用自主开发的流场求解器,研究了自适应机翼在不同速域、不同折叠角度情况下的总体气动性能以及操纵特性。从升阻比和机翼表面压力分布两个方面,对比了外段机翼在不同折叠角度下的总体气动效率以及折叠角度对流场特性的影响规律。研究结果表明,自适应机翼的对称变形在合适的折叠角度下可以使亚声速和超声速飞行条件下的气动效率大幅增加,增幅高达28%;亚声速飞行时的高气动效率来源于升力增加和阻力减小的共同作用,而超声速时的高气动效率主要来源于阻力的减小;在跨声速飞行条件下的气动特性随折叠角度变化不明显;非对称变形可以产生明显的用于方向操纵的滚转力矩和偏航力矩。通过将外段机翼折叠到不同角度,展向自适应机翼可以适应不同的飞行工况,获得更好的气动效益,可应用于下一代亚声速或超声速飞机。     

双线高速铁路桥最优风障高度及作用机理的数值研究

基于计算流体动力学理论,采用数值模拟的方法计算设置有不同高度风障的双线简支箱梁桥上高速列车的气动力,分析绕列车几何中心、迎风侧轮轨接触轴线和背风侧轮轨接触轴线的侧倾力矩,提出控制侧倾力矩和累计控制侧倾力矩的概念,并以此为依据通过不断逼近的方法得到最优的风障高度,最后对风障改善列车气动性能的机理进行研究。研究结果表明:风障的高度对列车的气动力影响较大,但根据各分力得出的最优风障高度不一致;侧倾力矩对轮轨接触轴线比几何中心大,且对风障高度也更加敏感;控制侧倾力矩当风障高度较小时为对背风侧轮轨接触轴线之矩,当风障增加到一定高度后,将转移到迎风侧轮轨接触轴线,从而对于双线桥最优风障高度并不是对背风侧或迎风侧轮轨接触轴线侧倾力矩为0 N·m的风障高度;综合考虑列车位于两线路上的气动作用,根据累计控制侧倾力矩得出气动缩尺模型的最优风障高度为95 mm,从而可知双线高速铁路简支箱梁桥上1.9 m风障效果最好。