大展弦比机翼非线性颤振剪裁设计新方法

针对大展弦比机翼水平弯曲模态参与耦合颤振问题,首先用考虑几何非线性的颤振分析方法研究了某大展弦比机翼的颤振特性,结果表明水平一弯模态参与耦合降低了机翼传统模式的线性颤振速度;然后研究了复合材料的铺层主刚度方向角对机翼非线性振动特性和颤振特性的影响规律,提出了大展弦比机翼非线性颤振剪裁设计的新方法.结果表明主刚度方向角的变化主要引起了水平一弯模态振型的改变,一般表现为主刚度方向角从机翼后梁向后缘偏转,该阶模态的相对扭转振型节线位置向前缘移动;反之,该节线位置后移.进一步非线性颤振分析,发现水平一弯模态振型的变化引起了该阶模态参与耦合颤振速度的明显改变,主要表现为该颤振型的颤振速度随该阶模态的相对扭转振型节线位置前移量的增加而增大.通过两个算例验证了结论的正确性.     

轴向运动复合材料薄壁梁的横向振动分析

研究可轴向运动复合材料薄壁梁的动力学特性.基于VAM（变分渐进法）复合材料薄壁梁理论,采用Euler Bernoulli梁模型并根据Hamilton原理来建立复合材料薄壁梁的动力学方程.应用假设模态法对薄壁梁进行自由振动分析,通过比较研究验证了该建模方法的正确性,并分析了几何参数和物理参数对薄壁梁固有频率的影响.推导了轴向运动复合材料薄壁梁的横向振动方程,借助四阶Runge-Kutta法进行数值计算,研究了不同纤维铺层方式和不同匀速度大小对可轴向运动复合材料薄壁梁横向振动末端位移响应的影响.     

轴向可伸缩复合材料悬臂梁的非线性振动研究

以航空领域中可变体机翼的伸缩变形过程为研究对象,对可伸缩悬臂复合材料层合梁的时变非线性振动进行理论研究.建立可伸缩悬臂复合材料层合梁在外载荷作用下的非线性动力学模型;根据时变系数非线性动力学方程研究时变非线性振动特性.分析可伸缩悬臂复合材料层合梁在外伸与收缩变形过程中的非线性动力学特性.从数值结果上看:模型的外伸速度、飞行速度对振动的影响较大,初值对振动的影响较小.     

机翼有限元模型振动和颤振特性分析

采用MSC Patran,MSC Flds建立某型飞机机翼的动力学有限元模型. 应用MSC Nastran中求解序列SOL 103对其进行固有模态分析,利用求解序列SOL 145进行颤振分析. 通过分析得到该机翼的振动和颤振特性,为飞机研制提供依据.     

复合材料层合板非线性热振动分析

采用有限元方法研究复合材料层合板结构在线性温度场作用下非线性热振动特性．采用特征值屈曲分析方法,判断了结构在线性温度场作用下的临界屈曲分歧点,计算了结构的一阶弯曲固有频率,分析了铺层角度及铺层层数对结构临界屈曲温度分布和结构固有频率的影响,总结了其对复合材料层合板结构热振动特性影响的一般规律．这些结论对复合材料结构设计、抗热设计有一定的指导意义．     

大展弦比机翼μ控制

利用大展弦比机翼后缘不同位置上的操纵面进行颤振主动控制,通过将大展弦比机翼简化为包含弯曲和扭转两种模态的悬臂梁结构,根据片条理论,建立包含操纵面运动规律的大展弦比机翼气动弹性方程.由于简化的数值模型与实际模型之间存在一定的误差,通常模型的运动方程包含有不确定参量用来表示建模误差.鲁棒控制方法能够得到一个有效控制器,控制这种带有模型不确定参量的运动方程.文中论述利用鲁棒μ控制方法,研究有两个操纵面大展弦比机翼的鲁棒控制问题.仿真结果表明鲁棒μ控制可以有效地抑制大展弦比机翼的受扰振动,提高颤振临界速度,且两个操纵面共同控制效果比单操纵面显著.     

主动约束层阻尼梁有限元建模与动态特性研究

基于弹性、粘弹性和压电材料的本构关系,利用Hamilton原理,推导了主动约束层阻尼梁的有限元动力学模型．结合压电材料的机电耦合特性,采用自感电压的位移反馈,研究了主动约束层阻尼梁的闭环控制特性．求解了主动约束层阻尼简支梁的动态特性如固有频率、模态损耗因子及频率响应特性等．对被动控制、主动控制和主被动混合控制的控制效果进行了分析比较．研究了粘弹性层与约束层厚度等参数对减振控制效果的影响．     

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。     

复合材料整体壁板固化变形控制方法研究

针对优化工艺参数和结构尺寸在整体壁板固化变形控制方面的局限性问题,提出了通过面板非对称铺层来控制整体壁板固化变形的方法.采用整体壁板和非对称层合板固化变形的特征,面板采用非对称铺层,并且使固化变形方向和筋条固化变形方向相反,可以有效地抵消筋条回弹和树脂收缩引起的固化翘曲变形.并根据上述方法对某复合材料机翼壁板进行固化变形控制方法设计,分别计算初始铺层顺序、优化桁条铺层顺序和蒙皮非对称铺层三种情况下机翼壁板的固化变形量.结果表明,优化桁条铺层顺序对减少机翼壁板固化变形效果不明显,而机翼壁板蒙皮采用非对称铺层能明显减小机翼壁板的固化变形,从而验证了提出方法的可行性和正确性.     

大展弦比板弯扭耦合受迫振动分析

对于工程广泛存在的大展弦比结构,首次研究了大展弦比板弯扭耦合受迫振动响应.考虑弦向相对弯曲刚度远大于展向弯曲刚度,将弦向截面等效为刚体,考虑其绕展向轴线的扭转,应用Hamilton原理分别计算大展弦比板的势能与动能,建立两端简支的大展弦比板弯扭耦合受迫振动的动力学控制方程.将动力学控制方程进行Galerkin截断后,通过谐波平衡法和微分求积法/微分求积单元法,计算得到了大展弦比模型弯扭耦合受迫振动稳态响应的解析解及数值解,同时验证了解的截断收敛性及谐波收敛性.最后研究了外激励幅值对结构受迫振动响应的影响.结果将为工程中广泛存在的大展弦比结构设计提供指导.     

A dynamic stiffness element for free vibration analysis of composite beams and its application to aircraft wings

The dynamic stiffness matrix of a composite beam that exhibits both geometric and material coupling between bending and torsional motions is developed and subsequently used to investigate its free vibration characteristics. The formulation is based on Hamilton’s principle leading to the governing differential equations of motion in free vibration, which are solved in closed analytical form for harmonic oscillation. By applying the boundary conditions the frequency dependent dynamic stiffness matrix that relates the amplitudes of loads to those of responses is then derived. Finally the Wittrick-Williams algorithm is applied to the resulting dynamic stiffness matrix to compute the natural frequencies and mode shapes of an illustrative example. The results are discussed and some conclusions are drawn. The theory can be applied for modal analysis of high aspect ratio composite wings and can be further extended to aeroelastic studies.     

Vibration analysis of composite plate wing

Vibration characteristics, including natural frequencies and mode shapes for various shaped composite wings, are evaluated using finite elements based on the shear deformable theory. The present analysis gives the influence of the sweep angle, the fiber orientation, the aspect ratio, and the taper ratio of a composite wing on the vibration properties. Natural frequencies have been obtained for a composite wing which has symmetric stacking sequences of laminates. Frequency closeness phenomena of different modes can be observed for the negative fiber angles. The present analysis uses eight-node quadrilateral elements which provide very accurate results.     

基于MSC Nastran的矿用电动轮自卸车货箱模态分析

针对矿用电动轮自卸车货箱的动态特性,提出基于模态分析结果的货箱结构改进方法.通过Patran建立货箱结构的有限元模型,应用MSC Nastran对其进行模态分析,得到货箱结构的动态参数.根据模态分析结果对货箱结构进行改进,货箱结构固有频率及振型得到较好的改善,为进一步研究矿用电动轮自卸车货箱的优化设计和预测疲劳寿命奠定基础.     

飞翼式飞行器结构布局与构件尺寸的两级优化

为优化飞翼式飞行器的结构,提出同时考虑结构布局优化和构件尺寸优化的两级优化方法. 第1级优化将翼梁数量范围和位置范围作为约束,以重量最轻为优化目标,采用iSIGHT的多岛遗传算法优化结构布局;第2级优化给予第1级给定的结构布局方案,在满足应力约束和位移约束的前提下,确定各构件最佳尺寸,使该结构布局方案的结构重量最轻. 在第2级优化中,根据CAD外形模型和固定的结构布局参数,采用MSC Patran的PCL语言自动生成飞机的结构有限元模型,采用MSC Nastran优化全机结构,并将优化结果返回给第1级. 再通过两级之间的迭代获得结构布局和构件尺寸的最优设计方案. 整个两级优化过程用iSIGHT集成. 实例表明该方法为飞翼式飞行器结构布局和构件尺寸协同优化问题提供1种有效的解决办法.     

Design of laminated composite plates for optimal dynamic characteristics using a constrained global optimization technique

The lamination arrangements of moderately thick laminated composite plates for optimal dynamic characteristics are studied via a constrained multi-start global optimization technique. In the optimization process, the dynamical analysis of laminated composite plates is accomplished by utilizing a shear deformable laminated composite finite element, in which the exact expressions for determining shear correction factors were adopted and the modal damping model constructed based on an energy concept. The optimal layups of laminated composite plates with maximum fundamental frequency or modal damping are then designed by maximizing the frequency or modal damping capacity of the plate via the multi-start global optimization technique. The effects of length-to-thickness ratio, aspect ratio and number of layer groups upon the optimum fiber orientations or layer group thicknesses are investigated by means of a number of examples of the design of symmetrically laminated composite plates.     

飞机多目标优化设计网格的研究与应用

针对飞机多目标拓扑优化提出一种通用的遗传算法计算模型,在此模型基础上,基于对等计算(P2P)技术将分布的计算资源整合为高性能计算环境,以网格服务方式提供统一的资源服务和可视化的用户使用环境,实现多目标优化设计网格,解决飞机设计中遇到的复合材料多目标拓扑优化问题.首先对系统体系结构以及多目标遗传算法做出较详细的描述,然后以优化某型大展弦比机翼为例,给出一组实验数据.结果证明,该系统大大缩短了计算时间,具有良好的并行加速效果.     

三维地效翼展向效应数值模拟

为研究地效翼的展向效应,利用FLUENT软件求解定常不可压N-S方程和标准k-ε湍流模型,对在地面效应下三维地效翼的流场进行数值模拟.首先,对给定面积和离地高度下不同展弦比的地效翼进行数值模拟;然后,对给定弦长和相对飞行高度下不同展弦比和带端板的地效翼进行数值研究.计算结果给出不同展弦比和带端板地效翼的气动特性曲线,揭示展弦比和端板对翼尖涡涡核位置和下洗角的影响规律.在地面效应下,机翼的展向效应更为明显,端板将进一步提高机翼的空气动力性能;翼尖涡的位置受地面影响向外移动,下洗角相应减小.研究结果为地效飞行器的设计与优化提供理论依据.     

复合材料厚板结构三维有效弹性常数计算模块化程序

为实现复合材料厚板结构三维有效弹性常数的模块化计算,利用MSCPatran的二次开发语言PCL开发模块化计算程序．针对具有周期性铺层方式的复合材料厚板结构,该程序可自动生成等效后的三维正交各向异性材料．将该程序用于复合材料太阳翼连接架的静力分析,生成连接架各局部复合材料结构的三维正交各向异性材料,得到其在设计载荷下的应变分析结果．有限元分析结果与试验结果比较表明,该程序能有效计算复合材料厚板结构的三维弹性常数,提高复合材料三维建模的效率及可靠性．     

利用MSC Patran/Nastran分析复合材料夹层结构

描述复合材料夹层结构的特点,阐述利用MSC Patran建立复合材料泡沫夹层结构有限元模型的步骤与方法,简单阐述后处理方法,并通过一个实例与理论解进行的比较验证该方法的准确性.