考虑几何非线性效应的大展弦比机翼气动弹性分析

针对飞机飞行过程中因受气动载荷作用、机翼几何非线性效应影响气动弹性稳定性,提出考虑结构大变形几何非线性效应的大展弦比机翼气动弹性特性分析方法。通过对MSC.Nastran软件二次开发实现该方法的计算流程。考虑大展弦比机翼几何大变形对气动面网格构型影响,在每个迭代步对气动面网格进行更新,求出大展弦比机翼在给定飞行状态下的静气动弹性变形,获得考虑机翼结构几何非线性效应的刚度矩阵,并进行机翼颤振特性分析。对大展弦比机翼模型进行气动弹性特性分析计算表明,与线性气动弹性分析结果相比,考虑机翼结构大变形几何非线性效应,机翼静气动弹性变形会影响机翼动力学特性,使机翼扭转频率明显下降,导致机翼几何非线性颤振速度低于线性颤振速度。     

大展弦比机翼气动弹性的几何非线性效应

随着飞行器性能和需求的提高,大展弦比机翼逐渐成为新型飞行器的主要结构形式。这类机翼具有高升阻比、大变形、重量轻等特性,几何非线性效应明显。该文采用本征梁结构模型和有限状态入流气动模型,对典型大展弦比机翼的几何非线性效应开展结构的静、动态特性和气动弹性研究。分析结果发现:考虑几何非线性效应后,机翼的变形减小;颤振临界速度降低,并且与攻角相关;机翼的时域响应则表现为衰减振动、单频极限环和多频极限环振荡,不出现振动发散状态;与传统的线性气动弹性现象显著不同。该文的方法能够有效预示大展弦比机翼的气动弹性现象。     

一种基于CR理论的大柔性机翼非线性气动弹性求解方法

大展弦比大柔性机翼在气动载荷的作用下,产生较大的弹性变形,其惯性特性、刚度特性、动气动弹性特性等亦发生较大改变,常规的线性气动弹性分析方法不再适用。基于Co-rotational(CR)理论,推导了机翼变形后的切线刚度矩阵和质量矩阵,建立了考虑几何非线性效应的大柔性机翼结构动力学模型;耦合改进的ONERA非线性非定常气动力模型,提出了一种适用于大柔性机翼的非线性气动弹性求解方法。采用Newmark直接数值积分法及松耦合技术在时域内对气动弹性运动方程进行求解,对所提出的非线性气动弹性求解方法的正确性和精度进行了验证,并研究了大柔性机翼的极限环颤振特性。研究表明:适用于大柔性机翼完整的非线性气动弹性建模需要考虑机翼结构大变形和非定常气动力动态失速等非线性因素;弯曲变形可降低临界极限环颤振速度的15%以上,而前移弹性轴能够有效的提高临界极限环颤振速度;所提出的非线性气动弹性求解方法具有较好的精度和效率,满足大柔性机翼非线性气动弹性的求解需求。     

用解耦挂架抑制机翼/外挂颤振的低速风洞试验研究

进行了用解耦挂架抑制机翼/外挂颤振的低速风洞试验研究。试验分别在二元机翼及大展弦比机翼颤振模型上进行。试验结果表明:机翼/固接外挂颤振速度低于单独机翼颤振速度;而当外挂俯仰频率落入柔性区范围时,机翼/铰接外挂颤振速度高于单独机翼颤振速度,且其颤振速度对外挂惯性特性的变化比较不敏感。试验结果还表明:阻尼对用解耦挂架抑制机翼/外挂颤振的效果有重要影响。阻尼过小时,可能发生以外挂模态为主的颤振,使颤振速度降低。文中还讨论了外挂铰点弦向、展向位置的影响。同时进行了相应的理论计算,计算结果与试验结果基本相符。     

大展弦比夹芯翼大攻角颤振分析

首先导出大展弦比复合材料梁弯扭耦合模态的半解析解，对具有NACA0012翼型的大展弦比的夹芯翼，在模态空间内建立了运动方程。然后采用半经验的ONERA非线性气动力模型描述空气动力，形成了对大展弦比夹芯翼大攻角气动弹性问题的描述。通过结构求解器和空气动力求解器联合求解来完成非线性颧振边界的计算。为了验证非线性颤振边界的求解方法，还利用ONERA气动力模型中的线性部分建立了夹芯翼的线性颤振方程。结果表明：零翼根攻角时，线性颤振速度与用非线性颧振边界求解方法得到的颧振速度完全一致；颤振速度随翼根攻角的增加而迅速减小；复合层铺设方式对颤振速度有较大影响。     

大展弦比复合材料机翼气动弹性优化

使用遗传/ 敏度混合优化算法对大展弦比复合材料机翼进行气动弹性优化设计研究。在满足强度、位移、发散速度和颤振速度等约束条件的前提下, 以机翼各部件复合材料铺层的厚度为设计变量, 对结构进行重量最小化设计。研究表明: 弯曲变形严重影响最终的优化重量, 是设计大展弦比复合材料机翼结构时应该重点考虑的问题; 按照应力设计准则对这类结构进行设计, 往往很难满足弯曲变形的要求; 使用遗传/ 敏度混合优化算法对大展弦比复合材料机翼进行气动弹性优化设计能够在可以接受的计算耗费下获得满意的结果。      

带有调整系统的远铰解耦挂架风洞试验研究

进行了带有调整系统的远铰解耦挂架抑制机翼/外挂颤振的低速风洞试验研究.试验是在大展弦比机翼颤振模型上进行的.试验结果表明:当外挂俯仰频率落在柔性区范围时,机翼/远铰解耦挂架/外挂的颤振速度比机翼/常规挂架/外挂的颤振速度有显著提高;且其颤振速度对外挂惯性特性的变化不敏感.试验结果还表明;调整系统可将外挂与机翼的相对静偏移修正到很小的设计角度内.文中还进行了单铰和远铰两种解耦挂架方案颤振抑制效果的比较,试验结果表明:远铰方案中外挂俯仰振动加速度响应比单铰时明显减小;且调整电机启动频率也比单铰时为低.文中还讨论了远铰挂架四连杆机构参数对外挂俯仰频率的影响.     

基于非线性气动力的失速颤振计算与试验研究

飞行器大攻角飞行过程中的动态失速会导致结构自激扭转或俯仰运动,造成非线性失速颤振现象,直接影响飞行器飞行安全与结构安全。该文对标准Leishman-Beddoes (L-B)非线性非定常气动力模型进行马赫数修正,使其适用于低速不可压情形的动态失速气动力计算,然后基于二元翼段气动弹性模型,采用Newmark时域推进方法进行工程失速颤振计算。依据计算结果设计并完成了二元翼段失速颤振风洞试验。试验结果表明,多数试验状态,基于L-B模型的失速颤振计算结果与试验结果均吻合较好。结果验证了修正的L-B模型可以用来进行低速大展弦比平直翼段翼型的失速颤振工程分析与极限环振荡评估,同时,失速颤振速度与极限环幅值受初始攻角的影响很大。     

非均衡铺层壁板复合材料机翼气动弹性分析

对上下壁板采用非均衡铺层的大展弦比复合材料机翼进行了气动弹性分析。建立了不同掠角和壁板铺层非均衡程度的气动弹性模型 , 并考虑了壁板铺层非均衡程度的变化。分析了严重载荷情况下 , 机翼变形、 升力特性弹性修正等随壁板铺层非均衡程度的变化 , 并分析了固有振动特性和发散/颤振速度随壁板铺层非均衡程度的变化趋势 , 以期为进行这类结构的设计提供参考。研究结果表明 : 壁板铺层的非均衡程度对于所研究机翼的固有振动频率、 颤振速度影响较小 , 但对发散速度和机翼的静气动弹性性能影响较大。      

应用μ-ω方法进行气动弹性稳定性分析的数值研究

结合最近提出的一种频域颤振预测μ-ω方法,将其推广应用到静气动弹性发散分析中,进行了复杂气动弹性系统的稳定性分析数值研究。首先采用该方法进行了某大展弦比后掠机翼模型的颤振分析,与p-k法得到的颤振速度相对误差为0.83％,颤振频率相对误差仅为0.39％。然后计算了某三角翼模型的静发散速度,与p-k法求得的发散速度相对误差为2.02％。结果表明μ-ω方法具有良好的求解精度,适用于复杂气动弹性系统的稳定性分析。     

现代民用飞机气动弹性模型低速风洞试验适航符合性验证技术研究

现代民用飞机须严格按照适航规章要求进行设计,国内现代民用飞机的气动弹性设计参照的适航条款主要为CCAR25.629条款"气动弹性稳定性要求"和咨询通报AC25.629-1A"Aeroelastic Stability Substantiation of Transport Category Airplane"。低速颤振模型风洞试验是飞机气动弹性设计中的一种有效技术手段,用以摸清飞机的亚音速颤振特性、影响颤振特性的敏感参数及其影响规律,并验证理论分析结果;低速颤振模型风洞试验同时也是民用飞机适航符合性的一种验证方法,用以表明飞机气动弹性设计的适航符合性。结合某型号飞机研制经验对民用飞机低速颤振模型风洞试验的适航符合性验证技术进行探讨研究,提出了切实可行的民用飞机低速颤振模型风洞试验适航符合性设计和验证方案。     

基于自由振动响应识别颤振导数的特征系统实现算法

桥梁断面的颤振导数在研究桥梁风致颤振稳定性上扮演着重要的角色，通常通过节段模型风洞试验获得。提出采用时域特征系统实现算法来识别节段模型振动系统的模态参数，进而提取桥梁断面颤振导数的方法。为验证该方法的可行性，进行了二自由度流线型薄平板节段模型自由振动风洞试验，并将识别的气动导数值与Theodorsen理论解进行了比较。     

考虑风速分布的叶片MPC气弹控制

作为叶片失效的重要原因,颤振一直是风电领域研究重点。以抑制叶片工作过程中的颤振为目的,建立分析模型时应充分考虑实际风速分布特别是风切变和塔影效应对叶片振动的影响,并在离散化后求取平均输入风速。针对小型风力机叶片气动弹性稳定性问题进行综合分析,根据实体结构建立叶片气弹模型,考虑非线性气动力作用时叶片大攻角、大风速工况下产生的高频、高幅失速颤振,模拟典型截面仿真振动位移。通过模型预测控制的滚动优化和误差矫正控制叶片挥舞、摆振两个运动方向的振动频率和幅值,结果表明振动形式实现控制后可在短时间内达到稳定且静差可接受。     

基于CFD/CSD耦合的结构几何非线性静气动弹性数值方法研究

柔性飞行器在气动力作用下会发生大变形,产生结构几何非线性,线性小变形方法难以获得准确的气动弹性分析结果。基于RANs的三维N-S流场控制方程耦合非线性结构静力学方程时域分析方法,用于考虑结构几何非线性的静气动弹性分析。该方法在结构静力学方程求解上采用非线性增量有限元方法进行迭代求解,考虑结构刚度矩阵随结构位形的变化,采用径向基函数方法实现气动/结构界面的数据交换和动网格变形。在建立某型宽体客机复材机翼三维有限元模型的基础上,对其静气动弹性进行了数值仿真,分析了线性结构和考虑结构几何非线性的结构在静气动弹性作用下翼面扭转、展向位移、垂向位移以及升力系数等物理量。算例结果表明,与线性结果相比,非线性结构由于结构几何非线性的影响,在展向和垂向变形上两者存在显著差异。为准确进行柔性结构的气动弹性分析,必须考虑结构几何非线性的影响。     

机翼跨音速风洞颤振试验模型的计算分析

以某民机机翼跨音速颤振模型为研究对象,采用N-S方程求解固定边界流场的气动力,简化的跨音速小扰动方程求解运动边界流场的气动力,结合结构动力学的模态分析结果进行颤振特性分析。模型风洞试验前完成所有计算工作,试验后通过比较表明,计算结果与试验结果吻合:(1)颤振频率一致;(2)颤振速度随马赫数的变化趋势一致;(3)跨音速凹坑的底部位置一致;(4)颤振速度的偏差最大不超过10%,且在马赫数0.60和0.70处,偏差1%。由此可见该计算方法的计算精度高,可用于风洞试验结果的预判,提升风洞试验结果的可信度和风洞试验的效率,也可作为民机适航符合性验证的一种手段。     

气动扰流对飞机T型尾翼跨音速颤振影响的试验研究

跨音速颤振试验通常在稳定的理想流场中进行,不考虑实际非稳定流场的气动扰流对颤振特性的影响。在飞机T型尾翼跨音速颤振试验中,通过设置一种气动扰流装置对风洞流场实施干扰以研究气动扰流对飞机T型尾翼跨音速颤振特性的影响。试验结果表明,气动扰流可以将飞机T型尾翼的颤振耦合模态从平尾弯扭耦合型改变为垂尾弯扭耦合型;可显著降低飞机T型尾翼的颤振动压,翼面外气动扰流较翼面内气动扰流对飞机T尾颤振特性的影响作用大。其原因在于施加的气动扰流所诱导产生的跨音速激波作用在垂尾翼面上改变了垂尾的非定常气动力,引起气动刚度和气动阻尼发生改变,由于平尾的气动阻尼相对较大,可以预计,一旦气动扰流引起垂尾的气动阻尼迅速减小到其临界颤振阻尼,则会引起垂尾弯扭耦合颤振型先于平尾弯扭耦合颤振型发生,从而表现出T尾颤振动压的降低。在颤振模型风洞试验中,当风洞试验结果与期望不一致时,需要研究气动扰流的影响。     

民用飞机翼面结冰颤振特性研究

翼面结冰是运输类飞机适航标准气动弹性稳定性要求条款（CCAR25.629）规定的必须考虑的失效、故障与不利条件之一,必须通过风洞试验和理论分析相结合的方法来表明飞机对该适航条款的符合性。针对某型民用飞机,进行了模拟翼面不同结冰状态的颤振模型风洞试验,采用希利普法外推得到颤振速度;同时对不同结冰状态进行了理论分析。试验与分析结果表明,该型飞机翼面结冰状态下颤振形式为机翼弯扭耦合;翼面结冰对该型飞机颤振速度无不利影响;该型飞机翼面结冰状态满足颤振包线要求。