含间隙全动舵面的非线性颤振模式及被动抑制方法

间隙非线性环节广泛存在于飞行器的结构当中,由其引发的极限环振荡(LCO)往往造成结构的疲劳破坏,但目前关于全动舵面非线性颤振机理和被动抑制方法的研究相对较少。针对典型含扭转间隙小展弦比全动舵面开展分析,提出了2种典型的非线性颤振模式,并探索相应的非线性颤振被动抑制方法。基于描述函数法和活塞理论建立舵面的动力学模型,考虑到间隙非线性环节导致刚度降低的效果,计算对比了2种不同扭转刚度下全动舵面的非线性颤振特性,进而提出了2种不同的非线性颤振模式,其中,模式Ⅱ不存在稳定的极限环振荡过程,可以有效抑制低于线性颤振边界的极限环振荡问题;研究了舵面根部弯曲扭转刚度和质量特性对非线性颤振模式和极限环初始动压的影响,提出相应的非线性颤振被动抑制策略。针对所提算例,数值计算结果表明:通过调整舵面根部弯曲扭转刚度或质量特性可以提高极限环初始动压,甚至改变非线性颤振模式,从而达到非线性颤振抑制的目的。

X形全动舵十字形鳍布局高速水下航行器设计参数对操纵性影响分析

针对X形全动舵十字形鳍布局的高速水下航行器外形结构,采用部件叠加原理建立了航行器流体动力系数与各部分尺寸之间的函数模型,建立了航行器流体动力、操纵稳定性和机动性与流体动力系数的关系。在给定各部件尺寸范围的前提下,通过优化超立方拉丁抽样得到设计变量的样本区间,采用试验设计思想分析了设计参数对航行器机动性能的影响程度,以及操纵性能对设计参数变化的灵敏度。结果表明,当设计参数在约束范围变化时,X形全动舵十字形鳍布局的高速水下航行器纵平面稳定度G_y和侧平面的动稳定度G_z均在0.4以上,具有良好的机动能力;航行器的负浮力大小与重心和浮心相对位置对航行器的G_y、G_z影响比较明显且呈现负效应;全动舵的舵截面弦长和展长对航行器机动性能影响最大,且全动舵宜设计为大展弦比舵并尽量安装在靠近尾部的位置。

水下航行器全动舵可靠性优化设计

利用基于中心复合采样的二阶响应面法得到AUV稳定度极限状态函数。综合考虑由于人为和客观造成的不确定性误差对极限状态方程的可靠度的影响,进行多次随机虚拟实验,计算AUV稳定度的可靠度,并根据求得的可靠度定量给出各设计变量关于极限状态函数的可靠度灵敏度。经判断,选择灵敏度较小的参数作为确定性变量,并对AUV全动舵进行可靠性优化设计,结果表明,减少不确定性量后,优化迭代次数大幅减少。

具有二维间隙非线性的全动舵面动力特性研究

由于存在不同方向的间隙非线性因素,在飞机全动舵面GVT试验中发现:激励点不同,测试得到的模态结果有较大差异。通过分析全动舵面操纵系统各个环节对间隙的影响,在特定的激励点采用渐进加力法进行GVT试验,研究了旋转和弯曲二维间隙对旋转和扭转模态的影响。运用MSC.NASTRAN软件建立FEM模型进行了模态分析,研究间隙对其动力特性的影响,并与试验结果进行对比。研究结果表明,GVT试验与FEM模型分析结果有较好的相关性,并给出了不同方向的间隙非线性对全动舵面固有振动特性的影响。

高温效应对全动舵飞行器气动热力特性影响

针对高超声速飞行器气动热力特性受高温效应影响问题,基于5组元5反应动力学模型,采用AUSMPW+格式耦合隐式LU-SGS方法求解三维化学反应Navier-Stokes方程,以十字型全动舵导弹为模型,在不同壁面催化条件下,研究导弹气动热力特性受高温效应影响的变化,以更准确地预测导弹在高超声速状态下的气动力及气动热,提高其控制精度及效率。研究表明:高温效应使激波层变薄,明显降低物面温度及热流;壁面催化条件主要影响热流,而对气动力影响微弱;高温效应降低导弹升、阻力系数及舵面效率,使压心位置前移而产生抬头力矩。

整流帽布局对全动舵附近流动结构及热环境分布规律的影响

基于局部外形优化改善空气舵附近区域局部热环境,可明显提升高马赫数飞行器热防护系统在恶劣环境下的适应性和生存能力。整流帽的应用作为高马赫数飞行器全动舵流动与气动热特性优化的有效手段,在近年来备受关注。建立一种适用于高马赫数完全气体可压缩流动的数值模拟方法,采用该方法开展整流帽布局及几何参数对全动舵附近流动结构及热环境分布规律的影响研究,并通过带整流帽布局的平板-全动舵模型激波风洞测热试验对数值模拟方法的准确性进行验证。结果表明:高速来流流经整流帽时将产生激波减速,在整流帽下游激波迅速膨胀分离,空气流动速度和加热能力均显著降低;从整体上看,设置整流帽能够显著降低整流帽展向宽度范围内的全动舵及附近平板气动热环境;随着整流帽楔角减小,全动舵气动加热整体呈恶化趋势;随着整流展宽增加,全动舵气动加热进一步减轻。

舵轴位置对全动舵面气动弹性稳定性影响

研究舵轴位置对全动舵面气动弹性特性的影响,用有限元方法分析舵面模态,当地流活塞理论计算非定常气动力,应用Lagrange方程,建立基于模态坐标运动方程。结果表明:当舵轴在根弦相对位置从前向后移动过程中,失稳形态由颤振转变为发散,并引起临界动压突变现象。失稳形态转变位置会随着攻角增大而逐渐后移。在转变位置之前,颤振临界动压随着舵轴后移,呈现先减小后小幅度增大趋势;在转变位置之后,发散临界动压随着舵轴后移单调减小。

全动舵铰链力矩计算的CFD数值仿真

在飞行器设计初期,舵面铰链力矩的预测主要依靠理论估算和试验测量的方法取得,随着CFD技术的发展,运用数值模拟方法预测舵面铰链力矩成为现实。使用二阶精度的Harten-Yee空间离散格式和LU-SGS隐式时间推进方法计算了单独舵面以及弹身-舵面组合体外形的超音速绕流流场特性,并通过积分计算了单独舵面以及舵体组合体的压心位置和铰链力矩。考察了在不同来流马赫数、攻角和舵偏角状态下的压心位置和铰链力矩的变化。计算铰链力矩时用了两种不同的方法,第一种是直接对铰链轴进行压强积分计算,第二种方法是先求出压心位置和法向力,然后再计算铰链力矩,并对两种方法进行了对比分析。计算结果表明两种计算方法所得结果比较接近,验证了数值仿真的可行性,对舵面铰链力矩预测有很好的指导意义。

高速风洞全动舵面颤振模型设计方法与试验研究

针对高速飞行器全动舵面等效颤振模型的设计要求,根据国内高速风洞参数确定基本比例尺,结合刚度等代设计采用复合材料结构替代金属材料结构,依据相似方法发展了一种高速全动舵面等效缩比模型的设计方法。通过建立合理的等效动力学仿真模型,计算得到了原始模型与等效颤振模型的固有振动特性和颤振特性等,模态试验表明该等效颤振模型满足动力学相似律要求,设计误差控制在5%以内,可以较准确地反映原始全动舵面模型的动力学特性。该等效颤振模型可为高速飞行器全动舵面的快速气动弹性设计及风洞试验提供参考。

全动舵面结构形式浅析

本文通过分析国内外主流战机全动舵面的结构形式及其传力路径,总结得出多数飞机采用了厚壁板+梁/墙式结构或厚蒙皮+全高度蜂窝夹芯结构。飞机设计人员应综合评估结构重量、颤振特性、全寿命周期的成本、制造稳定性及制造效率等因素,来选择全动舵面的结构形式。

全动控制舵铰链力矩计算方法研究

根据“等效攻角’概念，采用理论、工程及实验数据库相结合的混合算法，发展了一套可计算有任意滚动角的一字型或十字型鸭式舵面，鸭式和尾式控制布局的全动舵铰链力矩系数计算方法，计算结果与实验数据比较，有满意的精度．

空气舵颤振特性的不确定性及全局灵敏度分析

针对结构参数不确定性引起颤振特性波动的现象,进行了空气舵颤振特性的不确定性及全局灵敏度分析。当进行不确定性分析时,计算效率会随着变量维数的增加而大大降低。为了解决该问题,将稀疏网格技术应用到不确定性及全局灵敏度分析中,该方法对于高维问题能够高效地进行不确定性分析及全局灵敏度分析,并通过数值算例验证了该方法。在全动舵算例中,考虑了结构的弹性约束及材料属性的不确定性,并通过调用颤振分析模型进行了空气舵颤振特性的不确定性及灵敏度分析。该工作能为工程上确定颤振边界提供定量的参考,并能够找出对颤振特性的影响最大的不确定性因素,具有较高的工程实用价值。

一种适用于鱼雷变舵角的结构网格处理方法

针对鱼雷变舵角工况计算流体力学(CFD)流场计算中网格划分环节,以"十"字形全动舵、"十"字形翼端舵两类鳍/舵布局为对象,提出了一种快捷高效的多结构化网格处理方法。结合结构网格有利于对近壁面网格精细控制、保证其求解精度高的特点,采用多块结构化网格划分思路,把鳍/舵局部流场区域从全雷整体域中分离出来,形成多块计算域,在各自独立坐标系下划分结构化网格,通过多块耦合方法形成全流场计算域网格。减小了网格划分工作难度,避免了重复性,提高了设计计算效率和精度。经计算结果验证,本文方法有效可行,可推广适用于绕定轴旋转等局部小范围变化的几何构型。