一种多段机翼水面起降地效无人机气动特性

为改善水面起降性能和气动性能,基于船身式机身、多段机翼和T尾融合设计思路,提出并设计了一种新型仿生式多段机翼地效无人机方案,采用N-S方程和K-Ω-SST湍流模型,详细研究了该型无人机在不同状态下的压力云图、压力系数及升阻特性。仿真结果表明,地效作用随离水高度的增加而减小,离水高度与平均几何弦长之比(高度弦长比H/c)接近1时,地效作用较为显著,无人机在离水高度0.2 m时,升力系数、升阻比分别提升21.91%和40.37%,阻力系数降低15.22%;对提出的多段机翼布局,地效飞行主要影响下表面压力系数和压力云图,下表面压力系数展向上由内向外正压增幅逐渐减小,弦向上前后缘附近压力系数较小,结合压力云图分析,地效对升力增幅的影响主要集中在中段和内段机翼下方区域;地效飞行可明显提高升力线斜率(H/c为1时提高了8.89%),迎角增加时升力系数增幅和阻力系数降幅均逐渐变大,升阻比增幅(H/c为1)在迎角2°后均达到26%以上;通过验证机的多轮水面起降和有、无地效飞行试验,证明设计方案具有优秀的气动性能和飞行性能,可为水质检测、水面地效运输、搜救侦察等提供应用平台。

基于LSTM的超临界机翼抖振边界预测方法

超临界机翼的抖振对运输机的安全性和稳定性有着极大的影响,如何高效准确地确定抖振边界一直是备受关注的研究热点。针对CHN-T1型运输机标模,构建了一种基于长短时记忆(long short-term memory, LSTM)神经网络的超临界机翼抖振边界预测框架。根据CHN-T1标模的计算数据,设计了基于LSTM的气动力系数预测模型和抖振起始迎角判定模型,用于准确预测给定马赫数下气动力系数的变化趋势,并且实现了抖振起始迎角的快速判定;通过整合抖振起始迎角数据确定了CHN-T1标模的抖振边界,并用风洞试验数据验证了结果的准确性。研究结果显示,LSTM模型对气动力系数变化趋势有良好的预测能力,其均方根误差维持在2%以内;同时,在抖振起始迎角的判定方面表现出色,抖振边界的误差保持在2%以内。这些结果验证了该方法在抖振边界预测中的可靠性和准确性,为超临界机翼的抖振研究提供了有力支持。

爆炸冲击波作用后变形机翼模态数值模拟

为研究典型机翼在爆炸冲击波作用下的毁伤效应及其损伤后的结构动力学特性,基于有限元方法,研究了爆炸当量、爆炸方位及爆炸距离等对典型机翼损伤程度的影响,并分析了机翼结构变形程度与模态的关系。研究结果表明:冲击波强度和作用位置的变化对机翼结构的损伤及模态频率会产生不同程度的影响;随着冲击波强度的增加,机翼结构越早产生变形,对应的各阶模态频率下降越大,其中,二阶频率最大减少了15.02%;爆炸点位于机翼中心正上方时,机翼的变形最大;与无损伤机翼模态固有频率相比,爆炸冲击波作用在机翼中心位置时,各阶模态频率减小幅度最大,减少幅度为8.29%~15.02%。

倾转机翼/旋翼机过渡姿态规划分析

针对带有倾转机翼段的新构型倾转旋翼机复杂的倾转过渡变构型过程,提出一种基于动量叶素理论的高速段倾转走廊边界计算方法。通过低速时机翼失速限制和高速时旋翼可用功率限制建立倾转过渡走廊计算模型,对比了传统构型倾转旋翼机和倾转机翼/旋翼机的倾转过渡走廊差别。对2种构型倾转旋翼机倾转过渡状态下前飞速度、机身迎角、旋翼桨距角姿态进行了对比分析。结果表明:带有倾转机翼段的倾转机翼/旋翼机具有更狭窄的倾转走廊,在短舱角0°状态,倾转机翼段占1/3展长的旋翼机相较于传统构型倾转旋翼机,倾转速度边界从39~57 m/s缩减到41.7~51.2 m/s,倾转操纵难度加大;在大于45°短舱角的倾转前期,同样的前飞速度和短舱倾转角状态下,倾转机翼/旋翼机机身迎角降低约2°,旋翼桨距角增大1°~4°,随着倾转过渡的完成,2种构型倾转旋翼机姿态差异逐渐变小。

倾转旋翼飞行器机翼滑流区面积可视化计算方法

机翼滑流区面积计算是进行倾转旋翼飞行器旋翼与机翼气动干扰分析的关键,针对倾转旋翼飞行器机翼滑流区面积计算,基于CATIA二次开发和参数化设计技术,结合气动计算和三维几何图形运算,提出一种可视化计算方法,其能够在考虑机翼和旋翼参数影响的情况下,准确计算机翼滑流区面积,并且能够直观地确定机翼滑流区区域及机翼滑流区随各项参数的动态变化过程。通过基于XV-15倾转旋翼飞行器参数进行实例计算和分析,结果表明:机翼安装角、后掠角、上反角等机翼参数在纵向和侧向分析时对机翼滑流区面积影响较小;旋翼后倒角、侧倒角及旋翼主轴侧倾角等旋翼参数对机翼滑流区面积影响较大;在不考虑旋翼后倒角和侧倒角的情况下,采用所提方法对XV-15倾转旋翼飞行器机翼滑流区面积进行计算,计算精度最大可提升18.976%。

U形渠道机翼柱型量水槽水力性能分析

为了详细探究机翼柱型量水槽应用于U形渠道的量水性能,设置了4个不同的量水槽收缩比开展水力性能试验。通过对流量、收缩比和上游水位等数据进行分析,拟合出机翼柱型量水槽的流量公式。研究还对测流精度、上游佛汝德数、临界淹没度等参数进行了详细分析。试验结果表明,机翼柱型量水槽水位~流量相关性极高,相关系数R^(2)达0.998,利用试验数据拟合出的流量公式简单易用,平均流量误差约为2.47%,上游佛汝德数小于0.3,临界淹没度最高为0.887。与传统的U形渠道量水槽相比,机翼柱型量水槽的流动公式简单易用,U形渠道机翼柱型量水槽的结构为进一步研究提供了新的思路和参考。

高速飞行器间隙非线性机翼颤振的非线性能量阱抑制

针对间隙非线性机翼颤振系统的亚临界问题,引入了非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)技术来提高系统发生极限环振荡的临界速度。建立了具有NES控制的间隙非线性机翼颤振系统动力学模型,并分析了质量比、频率比、阻尼比、相对位置等NES参数对颤振系统极限环振荡的抑制效果,以及NES参数对颤振系统极限环振荡临界速度的影响规律。结果表明,阻尼比越大,可以在越小的自振频率比情况下使系统进入稳定区,但需要更苛刻的NES位置要求,即越靠近机翼前缘;而阻尼比越小,则使颤振系统极限环振荡响应进入稳定区所需的NES质量越小。在NES位置靠近机翼前缘时,增大自振频率比会使极限环振荡抑制效果有明显的提升,而增大质量比可以显著提高极限环振荡的抑制效果和临界速度。此外,NES的阻尼比越小,其颤振系统的极限环振荡抑制效果越好。

飞行器机翼变形驱动机构研究

为了优化飞行器气动特性,提升飞行效率,研究用于连续变弯度机翼的多级连杆驱动机构。采用ANSYS流体分析功能研究最大弯曲角度下变弯度机翼的气动特性;采用ANSYS静力学分析功能研究极限载荷条件下驱动机构的结构强度;并通过仿真分析与样机测试对驱动机构的运动情况进行研究。研究结果表明:变形机翼获得升力系数为1.4,所受最大气流动压1 078 Pa,小于下表面屈服气流动压4 916 Pa;驱动机构所受最大应力37.3 MPa,小于结构屈服强度55.2 MPa;机翼弯曲变形角度可达±25°,满足了飞行器对改善飞行特性方面的需要。

不同折叠角下含间隙折叠机翼极限环振荡分析

折叠机翼作为变体飞行器的重要变体机构之一,其气动弹性响应规律研究为变体飞行器稳定性及操纵性的提升奠定基础。本文提出基于干风洞的含间隙折叠机翼地面颤振虚拟试验模型建模方法,其中折叠机翼翼面子结构采用Craig-Bampton方法建立其刚柔耦合降阶模型,子结构连接采用线性/非线性弹簧连接,气动力采用偶极子格网法获得并转化为激振器集中力,由于地面颤振试验中气动力建模需基于统一的模态振型,针对含间隙折叠机翼采用虚拟质量法获得统一坐标下的虚拟模态振型。仿真结果表明,基于Craig-Bampton方法建立的线性折叠机翼地面颤振虚拟试验模型预测颤振速度与商用软件相比误差低于2%。当模型中采用非线性弹簧连接时,折叠机翼在低于和高于线性颤振速度下均会形成极限环振荡,仿真表明由于间隙非线性的影响,极限环的临界速度比线性颤振降低。研究发现折叠角0°下间隙大小对极限环幅值具有显著影响,而折叠角30°下间隙大小则对极限环幅值几乎不产生影响。

复合材料机翼多工况下的自适应优化设计

为获得具有优良气动性能且兼具结构强度及轻量化的复合材料飞机机翼,提出考虑气动分析和结构分析多目标多工况优化方法。分别对机翼进行气动分析及结构强度分析,以机翼展弦比、锥度比、后掠角为几何优化变量,以机翼上下机翼蒙皮的-45°、90°、45°、0°层厚度和夹芯厚度为结构优化变量,建立以应力、位移为约束,以升阻比最大化和质量最小化为目标的协同优化模型。针对复合材料机翼多目标优化设计存在的计算量大难以取舍的问题,提出基于多准则和物理规划的自适应约束Kriging模型多目标优化算法(adaptive constraint kriging model multi-objective optimization algorithm based on multi-criteria and physical programming,AKBCP)。该算法引入了物理规划法和多准则加点,通过测试算例对比分析表明该算法具有较好的优化效果。将该算法应用到机翼多目标优化中,与初始机翼相比,优化后机翼升阻比提高3.12%,质量减轻31%,研究结果可为复合材料机翼优化设计提供参考。

可变厚度机翼气动特性优化方法

为了使飞行器在不同飞行状态下均保持良好气动特性,提出了一种可变厚度机翼气动特性优化方法.首先,以NACA0012为设计翼型,采用CST方法将翼型参数化,利用Isight集成XFoil对目标翼型优化,得到优化后翼型参数并进行气动特性分析;其次,基于优化结果,利用Fluent对翼型气动特性进行分析,得到翼型变截面厚度变化前后表面压力分布情况.结果表明,对于NACA0012翼型,在飞行马赫数为0.3、迎角为10°时,变形优化后可以使升阻比提高13.06%.

基于强迫振动和自由振动的风力机翼型涡激振动数值研究

基于动网格技术,分别采用强迫振动和自由振动方法对90°攻角下风力机翼型的涡激振动现象进行了数值研究。通过强迫振动计算方法,确定了Du96-W-180风力机翼型在不同振幅下的涡振区间,并比较了改变来流速度和改变结构刚度对涡振区间的影响;通过自由振动计算方法,获得了不同来流速度下的翼型涡振区间,对比了频率比r=0.93和r=1.11时不同结构阻尼对翼型振动响应的影响,分析了翼型涡振的发展和演化过程。结果表明:改变来流速度和改变结构刚度时不同频率比下的涡振区间基本一致;自由振动数值计算验证了强迫振动的涡振区间;不同频率比下6%结构阻尼比时翼型振动出现涡激振动和强迫振动2种形式。

机翼弯曲模拟系统的建模与仿真研究

某型飞机在飞行过程中,机翼将产生最大可达3米的变形,该变形将严重影响安装在飞机机翼上钢索传动装置的操控性能,同时考虑操控性能在真实飞行过程中的成本、难度、风险问题,构建了地面机翼弯曲模拟系统。首先,构建了由16套机构组成的全机翼半物理仿真模型,各机构均安装有一套位移伺服控制系统和一套角度伺服控制系统。然后对系统的角度控制及位移控制进行了建模、仿真研究,提出了有效的前馈和模糊控制相结合的控制策略。最后搭建了实验验证系统并进行了验证。结果表明:该系统设计合理,实用性强,满足钢索在机翼弯曲变形下的操控性能测试。

飞行汽车机翼折叠系统机构运动学分析

为延长飞行汽车的飞行时间及实现飞行汽车可以在空中飞行模式与陆地行驶模式下正常工作,在根据升力公式对飞行汽车机翼进行设计选型后,对机翼折叠、回收机构进行设计并基于复数矢量法建立机翼折叠、回收机构运动学模型,使用MATLAB分析计算了机构关键杆件的角位移、角速度、角加速度变化情况,并用Adams对机构进行运动仿真分析。分析结果表明:机翼折叠机构与回收机构的角位移、角速度、角加速度图像均未出现激增或骤降,机构结构设计合理,可实现平滑稳定运动,运动特性良好。其中,通过控制折叠机构驱动杆件由83.25°偏转至116.75°实现折叠外翼90°的偏转。通过控制回收机构驱动滑块位移516.6 mm实现机翼90°的展开。最终在30 s内完成机翼折叠及回收作业。

基于NSGA-Ⅱ算法的机翼风洞模型静强度试验加载方案优化设计

针对机翼风洞模型的静强度试验,提出一种基于NSGA-Ⅱ算法试验加载方案的优化设计方法,包括加载布局的设计和试验载荷的多目标优化设计。加载布局的设计中引入控制剖面的设置,并在此基础上建立试验载荷的多目标优化设计模型,以控制剖面内的剪力、弯矩和转矩误差为优化目标,以静力等效原则和误差最小要求为约束条件,并以CHN-T1标模为例,基于NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化模型的求解,算法采用可行性法则处理约束条件。最终求解出最优的试验加载方案并进行方案的有限元仿真验证。结果表明:试验方案与流固耦合下的理想试验的最大等效应力、应变值和变形位移的误差均小于6%,经优化设计的加载方案较好地模拟了气动载荷。

风力机翼型S809绕流流动特性的POD和DMD对比分析

失速时的流动分离现象对风力机叶片的气动性能有重要影响,S809作为典型水平轴风力机翼型,在临界失速攻角下气动性能会大幅降低。基于流动特征提取的非定常流场降阶模型(reduced-order model,ROM)是进一步深入了解非定常流动的重要手段。本文通过计算流体力学方法得到轻、深失速攻角下翼型的流动特征,对时变速度场进行本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)和动态模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)分析,得到轻、深失速下翼型的非定常流场信息(能量占比、模态频率等)。通过两种方法的对比,结果表明,POD和DMD方法能够准确捕捉流动过程中的非定常结构和升力主频相同的典型模态,但是POD方法由于基于能量特征,在捕捉模态时会忽略与升力主频相近但能量较小的流动结构,而基于频率特征的DMD方法能够准确获得场的演化信息(增长率、频率等)。本文研究有利于针对主频结构发展相应的流动控制方法,从而改善翼型流场情况,提高气动性能。

基于LSCM与多项式拟合的机翼气动载荷施加方法

目的 将由机翼计算的离散气动载荷高精度等效作用于结构有限元节点上。方法 先通过最小二乘保角映射(Least Square Conformal Maps,LSCM)将机翼翼面的气动模型网格和有限元模型网格映射到同一个二维参数平面上,在此平面上用二维切比雪夫多项式拟合气动载荷的分布,然后代入结构有限元映射节点坐标,即可实现结构有限元离散载荷的施加。结果 采用本文方法,即可实现控制合力、压心坐标误差条件下的气动载荷在结构有限元网格上的整体离散施加。结论 采用LSCM方法可以实现大曲率壳向二维平面的保角映射。基于切比雪夫多项式建模与参数识别可以高精度拟合复杂的翼面气动载荷,二者的结合运用使得结构有限元载荷的施加可以兼具效率与精度。

全碳纤维复合材料太阳能无人机机翼结构优化设计

针对大展弦比太阳能无人机的性能要求,开展碳纤维复合材料太阳能无人机机翼的优化设计。选用NACA4412为基准翼型,利用xfoil软件作为气动计算软件,基于NSGA-Ⅱ优化算法进行翼型优化。在此基础上对机翼进行三维建模,采用CFD软件进行气动特性分析,并利用ANSYS Workbench静力学模块对机翼进行流固耦合分析。结果表明:翼型优化后,升力系数提高4.20%,阻力系数降低8.74%,升阻比提高14.18%;在气动载荷作用下,从翼根向翼尖方向压力逐渐增大,翼尖处最大压力相对外界大气压力为242 Pa;在外载荷作用下,最大应力显示在翼根附近,为61.397 MPa,翼变形的最大值为40.262 mm,整体满足太阳能无人机的允许变形量在5%以内即翼尖变形不得大于半翼展长度值的5%的刚度要求。研究结果可为碳纤维复合材料太阳能无人机设计和研制提供理论参考。

基于电磁力的机翼非接触式加载试验平台特性研究

目的研究分析基于电磁力的非接触式翼面加载的可行性与适用特点。方法利用多匝铜线绕制的驱动线圈,通入大电流产生强磁场,柔性线圈贴附于机翼表面,柔性线圈中的电流与强磁场相互作用产生较大的电磁力,实现对翼面的稳定加载。建立电磁力加载仿真计算模型,基于该模型分析不同线圈结构时电磁力特性,并设计力学加载平台,开展试验测试。结果对比了柔性线圈和薄铁片2种电磁力加载方式的不同,柔性线圈产生的电磁力比薄铁片小,但具有更好的线性度和可控性。上下布置2个驱动线圈能产生更大电磁力,但需要使2个驱动线圈电流方向相反,电流方向相反时产生的电磁力比方向相同时增强了16倍。减小驱动线圈间距,使柔性线圈靠近驱动线圈,也能显著提高电磁力。开展了力学加载平台试验,柔性线圈产生的电磁力达到57 N,并可持续加载320 s。结论通过试验验证了提出的基于电磁场非接触式翼面加载的可行性,柔性线圈易贴附于机翼表面,可为复合材料、复杂翼形的力学加载测试提供一定参考。

倾转机翼旋翼无人机倾转过渡状态数值模拟

倾转机翼旋翼无人机相较于传统构型倾转旋翼机能够显著改善悬停状态旋翼尾迹对机翼的气动干扰影响,提高飞行效率。针对该构型无人机具有复杂非定常气动特性的连续倾转过渡过程,采用由经典的分离涡模拟方法(DES)改进得到的延迟分离涡模拟方法(DDES)对其进行流场气动干扰计算,倾转过渡过程中无人机前飞速度、旋翼桨距角、机身与固定翼迎角以及短舱倾转角都随时间动态变化。通过与无倾转机翼传统构型对比,分析了倾转过渡过程气动性能变化以及流场机理。仿真计算结果表明,倾转初始状态无人机受到旋翼下洗流影响较小,在30°短舱倾转角以前的倾转过程,由于倾转机翼段阻力增大,导致旋翼需用拉力增大。倾转机翼段在倾转过程中产生的分离涡与旋翼下洗流尾迹产生碰撞干扰,导致在机翼翼梢位置产生更大的尾迹干扰区域,并且对内侧固定翼翼梢产生下洗效果,降低了整机升力。