基于现代优化方法的气动弹性建模与设计技术

通过六种在工程设计上应用的实例,阐述国内飞机设计单位当前在飞机设计的各个阶段,利用现代优化技术所开展的气动弹性优化工作。内容涵盖机翼、尾翼、全机、常规金属结构、复合材料结构气动弹性优化建模和优化设计方面的问题;涉及飞机初步设计、详细设计和改型设计等多个阶段。应用结果表明:使用作者提出的基于遗传/敏度混合优化方法的现代优化技术,可以很好地解决现代飞机设计各个阶段的气动弹性建模和结构优化问题,达到提高设计效率、提升设计水平的效果。

折叠翼飞行器气动弹性变体飞行仿真平台

折叠翼飞行器的变体过程伴随质量分布、刚度分布及气动载荷分布的大幅动态变化,是一个高度复杂的动力学过程。为实现该过程各种动力学问题的有效分析,基于共享内存技术开发了一套高性能的耦合计算程序,并在此基础上整合了Adams多体动力学计算软件、非定常气动力计算程序及飞行控制技术,搭建了折叠翼的气动弹性变体飞行仿真平台。基于该平台,对折叠翼进行了气动弹性分析和飞行变体过程仿真,验证了平台强大的计算和分析能力。

鱼骨柔性翼等效结构建模及其气动弹性特性分析

鱼骨柔性翼(Fish bone active camber,FishBAC)是一种依靠结构变形实现机翼弯度变化的结构形式,相较于传统的离散式控制面和增升装置,可以在实现机翼弯度变化的同时保持气动表面的连续与光滑。然而,其依靠结构弹性变形实现机翼变弯度的基本特征可能引发潜在气动弹性问题。针对柔性翼潜在的气动弹性问题,本文从结构特性和气动弹性特性两方面进行了研究。在结构特性方面,基于欧拉梁理论和逐段刚化法建立等效结构模型,经有限元验证发现简化模型在计算非均质梁结构保持精度的同时提高了计算效率。在气动弹性特性分析方面,基于等效刚柔耦合翼型模型和非定常气动理论完成了气动弹性特性分析。结果表明,FishBAC建模时需考虑结构柔性,忽略结构柔性会对气动弹性特性的预测存在一定偏差。在驱动力矩低于1.5 N·m时,本文简化的等效结构模型可较好地预测考虑静气动弹性特性的机翼结构形变。使用本文提出的翼型模型考虑结构存在刚柔耦合特性,并预测柔性段所发生的弯度颤振,简化模型与MSC Nastran相比在颤振速度预测上保持了一致性。

基于参数化降阶模型的非线性气动弹性高效分析

针对非线性气动弹性分析时需要在时域求解多个流场参数条件下结构运动方程而造成的计算消耗过大的问题,提出了一种适用于参数变化时非定常流场高效计算的参数化降阶模型,不仅可以应用于计算机翼等结构的总体气动力还可以得到每个时刻的结构表面的流场数据分布,并成功应用于典型机翼的跨声速颤振边界的计算,大大地提高了计算效率.结果显示,单流场条件时降阶模型的计算速度比直接使用时域分析方法提高了3倍;在计算多流场参数条件下,参数化降阶模型相比于使用单流场降阶模型计算速度提高了3.5倍,相较于时域分析方法提高了10倍.

基于扩展状态观测器的链式自动弹仓广义预测控制

为了实现链式自动弹仓的位置跟踪问题,设计了一种将扩展状态观测器和广义预测控制相结合的新的控制策略。在连续时间广义预测控制算法的基础上,设计了广义预测位置控制器;通过扩展状态观测器对弹仓系统的多源扰动进行了估计,利用估计值对广义预测控制器进行了前馈校正,增强了控制器的抗干扰能力,确保了控制系统的稳定。分别在空载、半载和满载3种不同负载工况下对链式自动弹仓进行控制仿真和分析。结果表明:与PID控制相比,提出的控制策略对扰动力矩不敏感,具有更好的鲁棒性,且稳态误差更小,位置控制精度更高。

面向初步设计的一种高效静气动弹性分析方法

大展弦比柔性机翼在气动载荷作用下会发生弹性变形从而引起气动特性变化,因此在初步设计阶段,希望使用一种高效分析方法研究静气动弹性平衡下机翼气动载荷的重新分布情况。本文提供了一种求解静气动弹性变形和对应气动载荷的高效方法,即采取松耦合策略,假设攻角不变,将未变形状态的载荷加载到结构上,计算出结构变形,再由变形后的气动外形计算气动载荷分布,反复迭代至变形/载荷收敛,得到机翼最终气动弹性载荷分布情况和气动特性。采用大展弦比弹性模型飞机算例表明了该方法的可行性。

基于Adams宏命令的链传动弹箱动力学模型快速建模与分析

链传动弹箱因内部零部件数量多、接触关系复杂,一直是Adams动力学建模难点。通过研究Adams宏命令的语法结构并结合变量与循环对Adams进行二次开发,形成一套快速建模方法,在链条内、外链板上建立旋转铰的Marker点,建立某链传动弹箱的动力学模型;结果显示该快速建模方法建模效率高,能够反映弹箱实际运动规律,具备推广应用价值。

仿鸮翼型风力机叶片气动弹性变形分析

为抑制风力机叶片的气动弹性变形,提出一种用于大型风力机的仿鸮类翼型改型设计方案.通过单向流固耦合方法分析了仿生翼型对叶片气动弹性变形的影响,并通过模态分析和共振响应阐述了仿生翼型抑制叶片气动弹性变形的机理.结果发现:与模型叶片相比,仿生翼型叶片气动弹性变形量降低了11.05%.仿生翼型使叶片压力面应力分布趋势发生改变,使叶片压力面的最大应力值由叶中转移至前缘.仿生翼型使叶片上下表面的压力差提高,且吸力面的压力值约为原来的2倍,使叶片提高了在挥舞方向的抗变形能力.同时,叶片的气动性能有所提高.仿生翼型使叶片的一阶至六阶固有频率升高;仿生翼型使叶片在挥舞方向上的共振变形量减小了89.23%,叶片的共振速度和加速度幅值也降低了.故仿生翼型能够有效抑制叶片的气动弹性变形,其设计方法及结论可为抑制大型风力机叶片的气动弹性变形研究提供一种新思路.

飞行器气动弹性风洞试验技术综述

研究气动弹性问题的主要手段有数值计算、风洞试验和飞行试验三种,气动弹性风洞试验具有可靠性高(相比数值计算)和代价低(相比飞行试验)等优势,已成为航空航天飞行器气动弹性性能评估和校核的重要手段。以亚声速和跨声速气动弹性风洞试验技术为主,分别从静气动弹性、颤振和阵风试验三个角度,阐述了国内外在模型设计、数据采集处理、模型支撑、阵风发生装置、阵风载荷减缓等方面开展的主要研究工作,总结了气动弹性风洞试验在飞行器研制中的重要意义,并对我国未来气动弹性试验能力的发展提出几点建议。

基于非线性试验气动力的飞机静气动弹性响应分析

分别使用线性和非线性静气动弹性分析方法,对某飞机纵向静气动弹性响应特性随飞行动压、攻角、平尾偏度和纵向过载变化的趋势进行了分析,并将分析结果和飞行试验进行了比较。线性方法的气动力计算使用亚音速偶极子格网法。非线性方法由风洞试验提供刚体气动力,并使用线性气动力影响系数矩阵对其进行弹性化处理。通过对两种方法的计算结果进行对比分析可以看出:①使用刚体试验气动力的非线性分析方法能够获得和飞行试验比较一致的结果;②在线性方法所提供的结果中,翼面的弯曲变形及剪力、弯矩和扭矩等部分参数能为初步设计提供大致参考,但气动力系数的弹性增量、翼面的扭转变形、翼面的剪力、弯矩和扭矩的弹性部分可能不能为型号设计提供正确的指导;③不论刚体气动力为线性还是非线性,气动力系数随动压变化的趋势均呈线性。

一种自动弹出式电池仓换电柜设计构思

锂离子电池是高能量、长寿命的移动能源,由于能量密度较高,锂电较容易发生安全性事故,有一定安全隐患,文章通过了解国内外对于锂电池换电柜的应用现状,介绍了一种自动弹出式电池仓换电柜装置,并论述其原理、技术方案及具体应用的实施流程,可在火灾发生时及时断电,避免了火灾对电路造成危害,也避免了电池仓脱离换电柜柜体时拉扯电线的情形发生。

主动气动弹性机翼的颤振主动抑制与阵风减缓研究

多输入 /多输出系统的颤振主动抑制与阵风减缓是主动气动弹性机翼技术的重要研究方面。以一个带有两个后缘控制面的三角机翼风洞模型为研究对象 ,采用LQG/奇异值控制理论设计颤振主动抑制与阵风减缓的鲁棒控制律 ,对组成的闭环系统进行控制仿真。并从闭环稳定特性、阵风响应减缓效果、作动器功率需求和控制律的降阶四个方面提出评价指标 ,对闭环系统进行工程特性评估。结果表明 。

一种高超音速热气动弹性数值研究方法

基于热气动弹性的特点,采用松耦合方法建立气动弹性仿真模型。将该问题的求解分解成四步,即气动热的计算、结构的温度分布计算、热结构计算和气动弹性计算。研究了给定温度分布热效应下的气动弹性问题。运用非耦合热-结构分析方法,考虑热应力引起的附加刚度,得到热环境下的结构分析有限元分析模型,并计算了两种典型高超音速翼面的热结构。运用基于CFD技术的当地流活塞理论计算高超音速非定常气动力。在时间域内实现了高超音速热气动弹性的仿真。分析了温度和结构支持方式对热气动弹性系统的不同影响。

考虑大变形的大展弦比机翼气动弹性优化设计

针对大展弦比机翼飞机自身特点,在结构大变形情况下,将弹性力学几何非线性理论引入到大柔性飞行器的气动弹性力学分析中,建立完整的几何非线性气动弹性分析方法框架。该方法主要包含两方面:结构非线性刚度和曲面气动力的计算。结合优化设计,为了提高优化设计效率,针对迭代过程进行有效简化。基于ISIGHT优化平台,发展一种适用于初步设计阶段大展弦比机翼在大变形情况下的气动弹性优化设计方法,有效地避免了结构大变形情况下线性气动弹性分析造成的设计偏差。为了摆脱对初始设计点的依赖,结合局部算法,采用组合优化策略,开展了大展弦比机翼的几何非线性气动弹性优化设计,首先应用蚁群算法定位目标极值在设计空间中所处的区域,再应用直接搜索算法对该区域精确寻优,获得更加准确的设计结果。

基于树莓派的自动弹吉他机器人系统设计

为实现吉他演奏的自动化,文章设计了一种基于树莓派的自动弹吉他机器人系统。该系统以树莓派为主控制器,配备了舵机驱动模块、摄像头模块、电源模块和电机驱动模块,舵机驱动模块用于驱动舵机实现弦拨和按压品位,电机驱动模块根据吉他谱信息控制步进电机运动,从而实现按压舵机的轴向移动。设计的自动弹吉他机器人系统具有自动识别吉他谱的功能,为音乐科技领域的发展提供了一种技术解决方案。

基于Delaunay图映射的动弹网格技术及其应用

在多块混合网格的基础上发展了一套基于Delaunay图映射方法的动弹网格技术,实现了针对气动弹性计算的网格变形运动方法,并使用基于多块混合网格的RANS方程的有限体积法耦合结构静平衡方程,针对大展弦比无人机在实际使用中可能出现的显著的静气动弹性问题进行了计算、分析和研究。研究结果表明,所发展的动弹网格方法为粘性混合网格的变形提供了较好的解决方案;RANS方程解算器具有较高的精度和较强的适用性,具备求解粘性流体与结构耦合等复杂航空气动弹性问题的能力。

某支线飞机概念设计阶段机翼气动弹性设计

在飞机的总体方案概念设计阶段,需要对飞机机翼进行气动弹性设计,以避免在后期设计中,因气动弹性问题而对设计方案进行较大更改。以某支线飞机的总体方案论证为背景,研究并归纳该飞机概念设计阶段气动弹性设计与分析的理论基础和计算方法,建立机翼的梁架式模型,初步设计模型刚度与质量分布,并进行机翼的静气动弹性响应与载荷分析、振动特性及颤振特性分析。结果表明:该支线飞机机翼的气动弹性特性合理,符合设计要求。

气动弹性专题序言

气动弹性与航空、航天等工程领域的发展密切相关,研究内容涵盖了气动弹性力学理论、数值、实验和工程应用等诸多方面。传统的气动弹性力学涉及气动力、弹性力与惯性力的耦合,涉及颤振、抖振、嗡鸣、阵风响应、桨叶动特性、叶轮机气动弹性力学、桥梁风致振动等.动力学问题,以及飞行载荷、静气动弹性修正、发散、操纵效率等静力学问题。随着航空、航天等工程技术的发展,在工程实践中出现了诸多新的气动弹性问题,例如高超声速飞行器热气动弹性、大直径比整流罩运载火箭跨声速抖振、创新布局飞行器气动弹性.

1000kV汉江大跨越特高压输电塔线体系气动弹性模型的设计与风洞试验

以建设中的1000kV汉江大跨越输电线路工程为背景,针对大跨越输电线路塔线体系风致响应较大的特点,进行了气弹模型风洞试验,分析了单塔及塔线体系在均匀流及紊流下的风振响应。塔线体系为四塔三线模型,并采用刚性节段加V型弹簧片法设计输电塔气动弹性模型。通过对实验结果进行分析,获得了塔线体系动力特性和风振响应等数据,研究了导线对输电塔的影响。结果表明,风荷载作用下导线与输电塔的耦合振动不可忽略。

饱和冻结粉土的动弹模与动强度

通过对饱和冻结粉土(兰州黄土)在不同温度(-10,-5和-2℃)、不同频率(0.1,1和5HZ)及不同动荷载下进行的大量振动试验表明,动弹模随冻土应变的增长而减小,随温度降低而增大,随频率增快而增大。最大应力对动弹模的影响可忽略。冻土的强度随温度降低而增大,频率对动强度的影响取决于冻土的固有频率。最小应力对强度影响可忽略。本文给出了动弹模及动强度随各种因素而变化的相关方程。