基于CFD/CSD方法的亚音速平板结构气动弹性分析

采用CFD/CSD双向流固耦合算法研究平板结构的气动弹性耦合特性.首先,采用CFD/CSD算法计算平板结构的颤振临界速度,并与已有文献中的实验结果进行比较验证.然后,分别对简支和固支边界条件的三维平板结构进行气动弹性特性分析,计算不同约束情况下流场分布的变化和平板结构的位移响应.同时还考虑加肋和结构材质对平板结构气动弹性特性的影响.     

超音速舵面热气动弹性仿真

为研究弹翼气动加热效应对结构气动弹性稳定性的影响,建立了热气动弹性仿真模型。根据分层求解的原理,首先采用平板参考温度法进行气动加热计算,进而分析热环境下结构的固有特性,并利用当地流活塞理论计算非定常气动力,在状态空间进行热颤振求解。对某弹性边界全动舵进行了超音速巡航段的热颤振特性分析;结果表明,随着时间的推移,热效应使舵面的固有频率逐渐降低,导致颤振边界下降;一段时间后,固有特性及热颤振特性趋于稳定。分析方法简捷有效,为飞行器结构设计提供了一种工程分析手段。     

民机概念设计阶段的气动弹性优化设计

针对民机气动弹性问题,进行概念设计阶段的气动弹性优化设计,尽量避免因气动弹性导致后续的设计更改甚至重新设计.以某大展弦比机翼为例,参照同类飞机初步确定结构刚度分布,并以结构重量最小化为优化目标,以颤振速度、最大变形、最大应力、发散速度的限制为约束条件,利用优化迭代方法进行气动弹性求解.结果表明,在给定的约束条件下,机翼的颤振速度满足气动弹性稳定性要求,且强度、刚度和静发散特性也都满足设计要求;同时,根据优化求解结果得到了机翼的刚度分布指标.研究结果为民机概念设计阶段的结构布局提供了依据.     

基于CFD-CSD耦合的机翼跨音速颤振计算

采用CFD-CSD耦合计算是预计机翼跨音速颤振特性的主流方法。以跨音速颤振国际标准模型AGARD 445.6机翼为研究对象,利用ANSYS.MFX多场耦合求解器对Euler方程进行求解来获得作用在机翼表面上的非定常气动力;对结构振动方程采用HHT方法直接数值积分以获得结构响应。通过CFD和CSD的耦合,计算了AGARD 445.6机翼的跨音速颤振特性。数值模拟结果与NASA风洞实验结果符合良好,表明利用ANSYS.MFX计算机翼跨音速颤振问题是可行的。     

基于ANSYS/CFX耦合的机翼颤振分析

在飞行器飞行气动特性的研究中,为避免传统方法进行颤振点预测时的"准模态"假设,能够更加准确地仿真机翼在流场中的真实运动情况,根据CFD/CSD一体化设计思想,采用了ANSYS/CFX紧耦合算法,对国际标准气动弹性模型AGARD 445.6机翼作了颤振分析,验证性地研究了亚音速和跨音速颤振机理,将仿真计算结果和实验数据进行了比较.表明耦合计算所得的颤振速度和颤振频率和实验值吻合,在亚音速阶段,机翼颤振主要是机翼的弯曲扭转耦合运动引起,而跨音速阶段则主要是机翼的弯曲运动的不稳定性引起,与理论定性分析得到的结果一致,证明ANSYS/CFX全耦合的应用为求解非线性流固耦合问题提供了有效的方法.     

基于H无穷范数的颤振分析方法

颤振是一种典型的气动弹性动不稳定现象, 求解颤振临界点是气动弹性稳定性分析的重要任务之一.从H_∞控制理论观点出发, 将气动弹性系统视为多输入多输出系统, 并导出其传递函数矩阵. 在颤振临界点附近, 根据系统传递函数矩阵的H_∞–范数趋于无穷大的特点, 发展了相应的颤振临界点搜索方法. 与传统的颤振分析方法相比, 该方法属于完全频域方法, 算法更为简洁, 且具有更高的自动化程度. 数值算例表明, 该方法可以获得正确的颤振临界点.     

基于流固耦合的叶片颤振分析

研究航空发动机性能问题,叶片颤振过程属于流固耦合问题,为了对叶片颤振进行预测和分析,保证发动机稳定,在提出对流固耦合原理和求解过程进行分析的基础上,采用 ANSYS 进行结构计算,CFX 进行流场计算,并利用两者间的数据交互平台传递流场压力载荷和结构位移数据,实现了流固耦合数值仿真计算.在不同来流速度及攻角下进行叶片和流场的耦合计算,根据得到的叶片振动位移响应判断叶片是否会发生颤振.计算结果表明,颤振频率与叶片低阶固有频率一致,证明来流速度和攻角是影响叶片气动弹性稳定性的重要因素,并可做为叶片颤振的预测依据.     

太阳能无人机机翼颤振动力学建模与分析

太阳能无人机作为一种大展弦比轻质飞行器,其机翼的气动弹性效应显著,其中颤振问题尤为关键。此类飞机具有大尺寸和低刚度特点,通过风洞试验研究机翼颤振问题,成本高而且难度大,难以实现,因此仿真计算是分析此类飞机颤振问题的主要手段。针对国内某翼展为40米的太阳能无人机大展弦比机翼,首先对机翼有限元模型进行工程化处理,在此基础上开展结构动力学分析和颤振计算,重点计算了机翼上不同吊舱布置下的颤振速度。经过仿真计算,得到该太阳能无人机机翼颤振速度为26m/s, 满足设计要求,进一步分析表明,可以通过增加发动机连杆的长度、在发动机上增加配重以及改变吊舱在机翼上的展向站位等手段来提高此无人机的颤振速度。     

考虑舵机动力学的舵回路系统颤振特性分析

针对液压舵机动刚度特性,研究了舵回路系统(舵机系统和舵面耦合系统)的颤振特性.利用分支模态法建立了基于舵机系统动力学方程的时域和频域颤振计算模型,提出了2种考虑舵机动态特性的颤振求解方法,第1种方法思想是对舵回路系统模型在各种来流速度下进行状态矩阵的稳定性判断;第2种方法是将舵机复刚度特性包含在频域颤振方程中,使用迭代法求解该方程得到舵系统颤振特性,并验证了两种方法的可行性.分析结果显示舵机动态特性对颤振特性有着很大的影响,说明舵机动态特性使得颤振边界提高,为飞机系统设计和结构振动分析提供有用的边界支持和设计依据.     

考虑迟滞非线性的高超声速飞行器颤振分析

为给飞行器颤振控制及结构设计等提供支持,利用适合复杂结构建模的动态子结构方法中的自由界面模态综合法,考虑飞行器在超声速飞行状态下高超声速流和飞行器自身结构的特点,将整个飞行器分成多个子结构;考虑飞行器机身与机翼之间相互连接构件的实际工作状况和制造工艺情况,带有间隙非线性与立方非线性相互作用所产生的迟滞非线性特性,以及阻尼因子对非线性的影响,用有限元计算软件计算各子结构的动力学特性参数和气动力分布情况,建立飞行器整机的振动微分方程以分析颤振特性．对得到的飞行器在所设工况下的振动和颤振特性及颤振临界状态进行分析,实现全机气动弹性问题的仿真计算．分析结果表明,该方法拓展高超声速飞行器颤振的计算,可为动态子结构方法应用于颤振研究提供参考．     

基于压电作动器/传感器的升力面颤振主动抑制

利用压电材料的正压电效应与逆压电效应对悬臂板结构复合材料机翼进行观测与颤振抑制.采用不同的压电材料分别作为作动器与传感器,建立了含有压电层的复合材料层合板的有限元模型,采用偶极子网格法(DLM)计算升力面的亚音速非定常空气动力,用Roger近似法对频域空气动力进行有理化近似,在此基础上建立了力-电-气动耦合系统的控制方程.针对多输入多输出(MIMO)系统,设计LQG最优控制律,对比系统的开、闭环颤振特性.应用Runge-Kutta法求解系统的时域动响应,数值仿真验证了该方法对颤振抑制的有效性.     

基于正交计算灵敏度的极大似然估计算法*

本文基于正交计算灵敏度的极大似然估计算法研究了弹性飞行器的气动参数辨识问题。文中利用指示函数(indicial function)的概念和Duhamel积分描述任意的非定常气动力过程,借助于正交试验的正交表解决了递推计算灵敏度的数值计算问题。最后给出了弹性飞行器气功参数估计的一个仿真算例。     

动力伞伞翼阵风响应的数值模拟

采用有限体积法求解非定常Euler方程,并通过引入动态网格方法模拟阵风条件,对不同风速下水平和垂直阵风的伞翼气动力响应进行动态模拟与计算,针对动力伞伞翼柔性结构和飞行速度慢的特点,运用动态仿真方法求解阵风响应的附加气动力与力矩。结果表明:遇水平阵风时,伞翼气动力表现为多周期不同幅度的主动颤振运动;遇垂直阵风时,气动力响应基本与阵风速度变化趋势保持一致,最终稳定后气动力相对于阵风加载前变化不大。     

Current status of computational methods for transonic unsteady aerodynamics and aeroelastic applications

The current status of computational methods for unsteady aerodynamics and aeroelasticity is reviewed. The key features of challenging aeroelastic applications are discussed in terms of the flowfield state—low-angle high speed flows and high-angle vortex-dominated flows. The critical role played by viscous effects in determining aeroelastic stability for conditions of incipient flow separation is stressed. The need for a variety of flow modeling tools, from linear formulations to implementations of the Navier-Stokes equations, is emphasized. Estimates of computer run-times for flutter calculations using several computational methods are given. Applications of these methods for unsteady aerodynamic and transonic flutter calculations for airfoils, wings and configurations are summarized. Finally, recommendations are made concerning future research directions.     

On structural optimization with aeroelasticity constraints

The optimal design of a cantilever wing in incompressible flow is considered. The wing is modelled as a full depth sandwich wing using finite element analysis. A doublet lattice panel method is used for computation of the unsteady aerodynamic loads. The weight of the wing is minimized using the thicknesses of the composite face sheets as design variables subject to constraints on flutter and divergence speed. Imperfection sensitivity of the final design is analysed and general aspects of imperfection sensitivity in optimization subject to aeroelasticity constraints are discussed in some detail.     

Numerical simulation of flutter validated by flight-test data for TU-204 aircraft

The interactive multidisciplinary aircraft design code was used for numerical simulation of Tupolev-204 airplane in-flight flutter tests. Dynamic structure loading is generated by symmetric and antisymmetric harmonic excitation of spoilers with smooth frequency sweep from 1 to 5 Hz. Major features of theoretical approach are described. Calculated and experimental results are compared. The influence of unsteady aerodynamic forces and onboard control system on dynamic loading of elastic structure is shown.     

Support vector machine based aerodynamic analysis of cable stayed bridges

Flutter, a self-excited vibration resulting from the interaction between structural motion and aerodynamic force, is the major aspect in wind resistant design of cable stayed bridges. The critical speed for flutter of a deck section can be evaluated using the flutter derivatives obtained by sectional model testing of the bridge deck in a wind tunnel. Since it is very expensive, time consuming and laborious to conduct wind tunnel tests for all the practical dimensions of deck, the support vector machine (SVM) is applied for predicting the flutter derivatives for any deck size. The wind tunnel experimental data is collected from literature and SVM is trained. Thus predicted flutter derivatives are used for estimation of critical flutter velocity of cable stayed bridges. The effect of each aerodynamic derivative on flutter instability is investigated in this study.     

仿生扑翼“0”形轨迹机构的设计及气动力特性

针对仿生扑翼飞行器的驱动结构进行设计,提出了一种空间摇杆式的驱动机构与机翼扭转机构,实现机翼扑动过程中的"0"形空间运动轨迹.针对机翼的空间"0"字形运动,建立仿生飞行器气动分析模型,采用动网格与非定常数值计算方法,对机翼拍动过程中不同相位下的升阻特性进行分析,并通过空气动力效率与流场对比分析,得到不同参数条件下的气动效率,为仿生扑翼飞行器的设计及扑动模式的选择提供参考.通过气动力测量实验、台架姿态标定和外场飞行测试,验证了结构设计的合理性.     

Differential evolution based soft optimization to attenuate vane–rotor shock interaction in high-pressure turbines

This article presents a soft computing methodology to design turbomachinery components experiencing strong shock interactions. The study targets a reduction of unsteady phenomena using evolutionary optimization with robust, high fidelity, and low computational cost evaluations. A differential evolution (DE) algorithm is applied to optimize the transonic vane of a high-pressure turbine. The vane design candidates are examined by a cost-effective Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) solver, computing the downstream pressure distortion and aerodynamic efficiency. A reduction up to 55% of the strength of the shock waves propagating downstream of the stand-alone vane was obtained. Subsequently to the vane optimization, unsteady computations of the vane–rotor interaction were performed using a non-linear harmonic (NLH) method. Attenuation above 60% of the unsteady forcing on the rotor (downstream of the optimal vane) was observed, with no stage-efficiency abatement. These results show the effectiveness of the proposed soft optimization to improve unsteady performance in modern turbomachinery exposed to strong shock interactions.