耦合分布螺旋桨的大柔性机翼静气弹研究

分布式螺旋桨被广泛用作为大展弦比长航时无人机提供推进动力,其载荷和滑流会改变机翼的结构和气动特性,使几何非线性效应更加突出。针对分布式螺旋桨对大柔性机翼的气弹干扰问题,在涡流叶素理论基础上,采用滑流管模型快速计算滑流对机翼的诱导速度,实现螺旋桨与机翼的耦合气动建模;在共旋转法中通过坐标系的推导与转换,实现展向分布的螺旋桨与机翼非线性结构耦合建模;结合空间梁样条插值,建立了考虑分布式螺旋桨载荷和滑流影响的大柔性机翼非线性静气弹分析框架。大柔性机翼与分布式螺旋桨耦合的算例结果表明:非线性大变形使螺旋桨拉力产生机翼结构负扭转,造成约10%的升力损失和20%~40%的静稳定裕度减小;螺旋桨滑流通过影响机翼当地流速和绕流攻角,改变了结构变形分布,带来约2.5%的升力收益和2%~8%的静稳定裕度增加;螺旋桨靠近翼根时增升,靠近翼尖时减升且越靠近翼尖影响越显著;所建立的分析方法可为分布式螺旋桨与大柔性机翼的耦合设计提供指导。

大展弦比柔性机翼气动特性分析

长航时无人机在飞行过程中受气动载荷影响,其大展弦比机翼产生弯曲和扭转变形,这种弹性变形严重影响飞机的飞行性能和飞行安全,不能将此种飞机机翼当作传统的刚性机翼进行气动分析.针对一真实复合材料大展弦比前掠机翼,采用气动/结构一体化的分析方法,利用计算流体动力学(CFD)软件FLUENT和计算结构动力学(CSD)软件NASTRAN联合求解,研究了在不同载荷情况下大展弦比柔性机翼静气动弹性变形对机翼气动特性的影响.结果表明,大展弦比无人机机翼受载变形后升阻比降低,滚转力矩和偏航力矩显著增大,对飞机的纵向和横侧向气动性能产生不利影响,同时也证明此CFD/CSD耦合计算方法可以应用到柔性机翼的气动/结构一体化设计中.

基于Stochastic Kriging的柔性机翼稳健性优化设计

采用随机代理模型方法对柔性机翼气动外形进行稳健性优化设计。相比确定性优化设计,稳健性设计能够考虑设计变量和参数的扰动,保持设计结果在不确定性影响下的性能稳定。采用高精度的气动/结构耦合求解器(耦合Navier-Stokes方程和结构静力学方程)分析柔性机翼的变形情况和气动效率。为了提高优化效率,建立随机Kriging(Stochastic Kriging,SK)代理模型,将确定性的Kriging代理模型发展到随机空间,通过有限次输入得到数据的固有不确定性。对柔性M6机翼的气动外形进行稳健性优化设计,结果表明:相比确定性代理模型的稳健性优化结果,应用随机代理模型的优化结果的设计点阻力系数减小2.8 counts,在可变马赫数范围内阻力系数均值减小3.2 counts,优化结果具有较高的设计点气动效率和阻力发散特性,并且优化后构型的翼根弯矩有明显减小,体现随机代理模型在稳健性优化设计系统中的优势,同时也说明建立的SK代理模型具有较高的预测精度。

螺旋桨/大柔性机翼静气动弹性快速分析方法

旋转的螺旋桨滑流掠过机翼将使机翼的气动特性发生改变,在高空超长航时无人机的设计中有必要对大柔性机翼气动弹性问题的螺旋桨滑流影响进行分析.运用Prandtl修正的动量叶素理论分析螺旋桨滑流及面内载荷;采用兰金涡核模拟滑流对机翼的诱导速度;采用三维升力线方法计算机翼定常气动力,利用曲面样条插值方法解决结构/气动耦合问题,并结合非线性有限元静力学计算方法,建立了螺旋桨滑流及面内载荷作用下大柔性机翼静气动弹性问题的快速迭代求解方法.以某大展弦比螺旋桨机翼为例,采用文中所建立方法对其静气动弹性特性进行计算研究.结果表明,旋转的滑流改变了机翼绕流当地攻角,从而影响了机翼气动力和变形分布,且在小前进比时影响更大.所建立的分析方法简便高效,在初步设计阶段有较好的应用前景翼绕流当地攻角,从而影响了机翼气动力和变形分布,且在小前进比时影响更大.所建立的分析方法简便高效,在初步设计阶段有较好的应用前景.

基于人工神经网络的柔性机翼挠度预测

为实现对承载后柔性机翼挠度的准确预测,在全面分析柔性机翼挠度的影响因素基础上,应用正交试验法确定的影响柔性机翼挠度的主要因子作为输入变量,挠度作为输出变量,以大量试验数据为训练样本,通过多次试取隐含层和各隐含单元,并选取trainlm作为最优训练函数,最终建立了预测柔性机翼挠度的BP(Back Propagation)人工神经网络模型.在此基础上,随机选取试验结果中的12组试验样本,连续进行10次挠度预测,预测结果和试验实测值最大相对误差和标准方差分别为4.481%,1.033 7.解析结果表明:柔性机翼挠度预测结果与实验值吻合的较好,建立的人工神经网络预测模型具有较高的预测精度.

基于曲梁模型的大展弦比大柔性机翼颤振分析

提出一种大展弦比大柔性机翼颤振分析的方法。该方法首先引入准模态假设,将气动载荷作用下发生大静变形的大展弦比大柔性机翼视为一根变曲率曲梁,并将其离散为一系列常曲率曲梁单元,利用机翼静变形结果,通过多项式插值获得各曲梁单元的平均曲率。其次,在曲梁单元内,利用曲梁振动微分方程和Therdorson非定常气动力模型建立曲梁单元的颤振微分方程。然后,运用传递函数法,将曲梁单元的颤振微分方程转换为状态空间形式,并依照有限元组集的思想形成机翼整体平衡方程。最后,通过求解特征值问题获得机翼的颤振速度和颤振频率。通过与已有文献结果的对比,验证了新方法的正确性和有效性。

基于类树形结构载荷路径的柔性机翼前缘优化设计

根据柔性机翼前缘的变形要求,以离散体结构拓扑优化为出发点,以实际位移与目标位移之间的偏差为目标,建立目标优化函数。采用类树形结构的载荷路径建立初始构形,利用遗传算法(GA)进行结构拓扑优化,并结合拓扑结构优化结果进行二次优化,获得更优解。通过ANSYS仿真分析,结果表明该方法是可行的。

柔性机翼阵风响应与被动减缓研究

高空长航时无人机的机翼展弦比大、柔性较强,飞行过程中极易受到阵风的影响。文章以几何精确本征理论建立结构模型,耦合Pitt-Peters动力入流理论建立柔性机翼非线性气弹模型,研究了柔性机翼阵风响应以及翼尖被动阵风减缓效应。采用空间-时间平行的有限元离散方法,将气弹方程转化为一阶微分代数方程,NewtonRaphson和Generalized-α算法分别用于静态变形和动态响应的求解,通过算例研究了离散阵风载荷下柔性机翼的阵风响应,结果表明翼尖被动阵风减缓装置对机翼变形有明显的减缓效果。

柔性机翼颤振的次最优控制

柔性机翼颤振的主动控制中,控制器的阶数一般较高,并且空气动力状态是不可测的.本文采用基于部分状态反馈的次最优控制方法对柔性机翼的颤振主动控制进行了研究,并与基于全状态反馈的最优控制方法进行了对比.首先,建立了带有控制面的柔性机翼的气动伺服弹性状态方程,并设计了全状态反馈最优控制律;然后,使用控制性能指标关于反馈增益的二阶灵敏度确定系统各个状态的重要程度,选择出用于控制反馈的重要状态,并根据所选择的重要状态设计了次最优反馈控制律;最后,通过数值仿真将基于部分状态反馈的次最优控制律与基于全状态反馈的最优控制律的控制效果进行了对比.仿真结果显示,二阶灵敏度能够有效地显示出各个状态的重要程度,次最优控制律能够取得与最优控制律基本相同的控制效果.本文所设计的次最优控制律中不含空气动力状态,且控制器阶数低,更具工程意义.

柔性机翼结构拓扑优化设计

基于ANSYS软件工作平台,以结构体积最小化为目标函数,应用改进的渐进结构优化方法并且辅以灵敏度分析实现了连续体结构的初次优化;以最佳结构外形边界为目标函数,同时考虑多工况、多材料条件,实现了布局参数的二次优化。对优化结果进行ANSYS仿真,经过对比分析表明,优化结果符合结构体积最小化和最佳结构外形边界条件的要求。并为进一步实现形状优化、尺寸优化创造了条件。

基于传递函数法的带外挂大柔性机翼颤振分析

基于带外挂大柔性机翼结构和气动特点,使用带有半解析半数值特性的传递函数方法进行处理.首先,将变形后的柔性机翼视为曲梁,基于曲梁的运动微分方程,结合传递函数方法,将曲梁运动微分方程整理成状态空间方程形式.然后,借鉴有限元方法的思想将单元进行组集,组集时结合机翼挂载处内力平衡和位移协调条件,得到了机翼整体平衡方程,结合求解复特征值的方法,完成了带外挂大展弦比大柔性机翼的动气动弹性稳定性分析.对比通过有限元方法得到的仿真结果,证实了文章提出计算方法的准确性和高效性.文章结尾,分析了外挂质量、转动惯量、位置分布及数量等变量对带外挂大展弦比大柔性机翼的动气动弹性稳定性的影响.

大展弦比柔性机翼气动特性分析

高空长航时飞机普遍具有大展弦比机翼,但其容易受到气动荷载的影响,使大展弦比柔性机翼出现不同程度的弯曲和扭转变形,这将直接影响飞机的飞行性能,不利于飞机安全飞行。所以,有效分析飞机大展弦比柔性机翼气动特性是非常必要的。文章将基于大展弦比机翼气动弹性理论,就气动载荷作用下大展弦比柔性机翼气动弹性变形对机翼气动特性的影响进行分析,进而探究如何优化大展弦比柔性机翼气动特性。

浅谈主动柔性机翼技术

1、来源 20世纪70年代以来,随着计算机技术和主动控制技术的发展,主动控制系统广泛地应用于飞机各系统,功能越来越全面。但是控制系统与柔性飞机结构和气动力之间发生耦合,产生了一种气动伺服弹性不稳定现象。为寻求一种能充分利用主动控制技术和气动伺服弹性技术的有利耦合,避免控制系统和柔性结构之间的不利耦合,这就产生了主动柔性机翼技术(AFW)的概念。

大展弦比柔性机翼非线性颤振研究

使用非线性ONERA气动模型对大展弦比柔性机翼进行颤振分析,将变形后的柔性机翼视为曲梁。基于曲梁的运动微分方程,结合非线性ONERA模型,建立了大展弦比柔性机翼的颤振分析模型。运用传递函数方法,将颤振微分方程转换为状态空间方程形式,通过求解复特征值问题,获得了大展弦比柔性机翼在非线性气动力作用下的颤振速度和颤振频率,得出了机翼线密度、展弦比、抗弯刚度和抗扭刚等因素影响下不同气动模型的颤振结果的差异。

大展弦比大柔性机翼载荷分布求解的一种方法

大展弦比大柔性机翼在气动力作用下产生较大的弯曲和扭转变形,会引起明显的气动载荷重新分布。基于一种只具有2个广义转角自由度的梁单元模型,提出了一种大展弦比大柔性机翼载荷重新分布的新方法。该方法将大柔性机翼弯曲变形的几何非线性问题转化为线性问题,同时,基于弯曲变形结果,可在局部坐标系下进行机翼扭转变形求解,避免了整体坐标系下扭转变形的几何非线性问题。综合来看,该方法可将具有明显几何非线性效应的大展弦比大柔性机翼的载荷重新分布问题转化为线性问题,且计算量小,效率高,非常适合工程实用。通过与大柔性悬臂梁解析解的对比,验证了本文方法的正确性和有效性。

基于柔性机构的机翼前缘变形多目标优化

全柔性机构用于自适应机翼具有实现其形状的连续平滑变形和轻量化等优点。文章根据机翼前缘在不同飞行状态下气动外形要求,以离散体结构拓扑优化为出发点,以目标形状与实际形状的边界曲线之差最小为优化目标,并考虑机构变形要求和刚性要求等问题,建立了多目标优化函数;采用遗传算法(GA)和双向渐进结构优化法(BESO)相结合,应用于Matlab与Ansys,通过二次优化,获得了稳定的最优解,不仅实现编程模块化,而且提高了优化效率。最后,对结果进行Ansys仿真分析和模型实验验证。结果表明:仿真结果和模型实验结果一致,该方法是可行的。

柔性机翼承载能力的试验与预测

对柔性机翼进行了承载能力的试验及预测研究,首先对柔性机翼的翼型结构进行建模,并对充气机翼的结构进行了分析和优化;其次应用正交试法确定出影响柔性机翼承载能力的主要影响因素,以优化后的结果建立实物模型和主要影响因素为变量进行试验;最后以大量的试验数据为训练样本建立改进的神经网络模型,并进行承载能力预测.试验与预测结果对比研究表明:在初始阶段,柔性机翼在压强一定时,载荷与挠度近似呈线性关系;在同一气压值下,载荷增加到一定值时,载荷与挠度的关系曲线呈近似线性关系,而是斜率突然减小;神经网络测试值和试验实测值最大相对误差与标准方差只有12%和0.39%,人工神经网络解析方法可以用于对充气机翼抗弯刚度的分析.

侧向随动力作用下大展弦比柔性机翼的稳定性

随动力能够诱发弹性结构发生颤振失稳。以侧向随动力和集中质量分别模拟发动机推力和外挂质量,考虑机翼垂直弯曲-扭转刚度比、集中质量大小、侧向随动力和集中质量的位置以及机翼后掠角和上反角的影响,研究了受侧向随动力作用的大展弦比柔性机翼的气动弹性稳定性。数值模拟所采用的大展弦比柔性机翼非线性气动弹性模型耦合了几何精确完全本征运动梁模型和ONERA动失速非定常气动力模型,该模型考虑了几何非线性、动失速和材料各向异性。模拟结果表明,侧向随动力对机翼颤振可以具有稳定作用,其具体表现依赖于若干变参数的影响,如:减小机翼垂直弯曲-扭转刚度比;发动机吊舱靠近翼根布置;使发动机推力作用点在法向上与机翼弹性轴靠近;单纯的集中质量避免布置在柔性机翼中部,且布置在机翼弹性轴之前或下方,这些设计或布置均有利于提高带发动机吊舱/有效载荷外挂的柔性机翼的气动弹性稳定性。

多相材料机翼前缘柔性机构拓扑优化设计

为了实现机翼前缘连续变形及结构轻量化,利用多相材料进行了柔性机翼前缘结构的设计。在轮换主动相变量算法的基础上,以选定前缘初始曲线上9个坐标点的实际位移和目标位移的偏差为目标函数,各相材料的体积分数作为约束,建立多相材料柔性机构拓扑优化模型,采用OC优化准则法进行求解。编写MATLAB程序,计算得到了清晰的两相实体材料前缘结构优化结果。利用CATIA软件对优化结果进行几何模型重构,并将重构后的模型导入HyperWorks软件进行仿真分析,结果表明多相材料机翼前缘柔性机构能够实现最大9.1°的连续偏转。

仿雨燕机翼柔性对纵向气动特性的影响

通过仿雨燕机翼的低速风洞测力实验,分析了以展向弯度变化为表现形式的柔性变形对大展弦比机翼纵向气动特性的影响。实验结果表明,这种柔性变形具有增升减阻的效果,可以增大仿雨燕机翼的最大升阻比,减缓失速,能够显著改善大展弦比机翼的纵向气动特性,对揭示鸟类的飞行机理和微型飞行器的设计具有重要的指导意义。