磁浮飞行风洞动模型气动结构耦合仿真评估

磁浮飞行风洞是一种“体动风静”的新概念空气动力试验设备。模型在长直线密闭管道中高速运动过程的气动特性复杂,会对周围流场产生强烈的扰动,涉及到波系传播和气动与结构之间的单向耦合问题。本文从气动结构耦合仿真的角度,对磁浮飞行风洞试验过程中模型高速运动所产生的非定常气动特性进行了分析和评估,基于一种新型时空守恒元和解元(CE/SE)方法耦合求解了管道内模型周围的三维可压缩流场变化,获得了模型高速运动过程的气动力参数变化、波系传播特性及管道内压力分布,并开展了多孔介质消波材料参数仿真设计分析,为磁浮飞行风洞消波措施设计等提供支撑。

机翼气动结构多学科设计优化研究

为解决大展弦比机翼气动和结构学科的耦合分析及优化耗时问题,采用高精度计算流体力学(CFD)与计算结构动力学(CSD)模型耦合分析的方法,得到耦合分析后最终真实变形情况下的应力状态和气动力性能,指出大展弦比机翼气动结构耦合分析的必要性.对自适应响应面法进行改进,提出一种基于模糊聚类自适应径向基的全局优化策略,研究了该策略的全局寻优能力和优化效率.运用该优化策略对考虑气动结构耦合分析的大展弦比机翼结构进行多学科设计优化研究.研究结果表明该气动结构耦合分析方法可行有效,并且该优化策略提高了优化效率.

基于真空引射驱动的火星尘暴发生装置气动结构设计

火星尘暴发生装置是火星尘暴地面模拟系统的关键部件,其气动结构直接影响到尘暴试验流场的品质。本文设计了火星尘暴模拟系统的真空引射驱动工作流程,并提出了尘暴发生装置的气动结构。为了验证不同气动结构对尘暴流场的影响,开发了专用设计分析软件。最后,通过设计算例对比分析了收缩比为1.5和2,以及维氏曲线和五次方曲线等四种组合气动结构的流场。结果显示,当收缩比为1.5,气动曲线为维氏曲线时,流场品质最好。本文研究成果可提高火星尘暴发生装置气动结构设计效率,为火星尘暴模环境拟系统的研制提供支持。

柔性扑翼全机气动结构耦合特性及稳定性研究

由于微型扑翼飞行器具有体积小、重量轻等特点,在飞行过程中会产生明显的柔性变形,因此在对扑翼气动特性进行数值模拟时,有必要考虑柔性变形的影响。基于结构动力学理论,发展了一种适用于扑翼全机气动结构耦合特性的数值模拟方法与一种适用于扑翼的结构动力学求解方法。方法利用哈密顿原理,对动能和应变能进行变分,进而得到扑翼动力学方程,采用结构有限元方法对运动方程进行离散并求解;采用基于嵌套网格的CFD求解器对微型扑翼全机非定常绕流进行数值模拟。采用CFD/CSD耦合求解器对微型扑翼飞行器全机气动结构耦合特性进行数值模拟,分析了结构变形对柔性扑翼气动特性的影响,并分别对扑动过程中刚性扑翼和柔性扑翼的压心变化范围进行研究,分析了结构变形对柔性扑翼稳定性的影响。

机翼气动结构耦合数值分析方法

针对机翼的静气动弹性问题,为准确预测其气动特性,研究一种实用有效的气动结构耦合仿真方法.以客机机翼设计为例,通过机翼的静气动弹性问题分析和机翼的气动结构耦合分析流程的分解,建立参数化、自动化、模块化的气动结构耦合仿真分析平台.该平台的流程包括基于全速势方程的气动分析、基于MSC Nastran的结构仿真、应用MATLAB的载荷到结构模型的传递、结构变形向气动外形的映射等环节.算例表明该方法能较好地解决机翼的静气动弹性分析问题.

柔性扑翼气动结构耦合特性数值研究

微型扑翼体积小、重量轻,其柔性变形对气动特性有显著的影响。通过求解雷诺平均N-S方程(ReynoldsAveraged Navier-Stokes,RANS)和结构动力学方程,对微型柔性扑翼飞行器的气动结构耦合特性进行了数值模拟研究。针对微型扑翼的大幅运动,发展了适用于扑翼的气动结构耦合数值计算方法,研究了微型扑翼的气动结构耦合特性。通过求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程得到微型扑翼的非定常气动特性;利用哈密顿原理(Hamilton Principle)推导了扑翼的结构动力学方程,采用结构有限元方法对该动力学方程进行离散并求解,得到扑翼的动态结构特性;采用松耦合方法进行迭代。计算结果与风洞实验结果相比吻合良好,验证了所发展方法的有效性。在此基础上研究了惯性力和关键运动参数对柔性扑翼气动及结构特性的影响规律,有助于比较详细、全面地了解微型扑翼的气动机理,为柔性扑翼的设计提供了参考依据。

气动结构串行优化技术研究

针对飞行器工程型号发展中的气动结构优化设计需求,提出和讨论了一种气动结构串行优化策略,将气动结构耦合优化问题分解成了气动外形优化和多工况下保持巡航气动性能的结构尺寸优化两个串行子问题。基于自研工具和商业软件MSCNastran建立了全自动的面向工程应用气动结构串行优化能力。开展了CRM-WB和HIRENASD机翼气动结构优化设计,同时取得了减阻和减重收益。结果表明所提策略具备一定的工程实用性,可在某种程度上解决飞行器型号发展中的气动结构优化设计需求。

力车胎成型机气动结构的改进

力车胎成型机气动结构的改进王爱国（丹东化工机械股份有限公司）关键词力车胎成型机，气动结构改进ｌｍｐｒｏｖｅｉｎｅｎｔｓｏｆｐｎｅｕｍａｔｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆｏｒｍｉｎｇｍａ－ｃｈｉｎｅｓｆｏｒｍａｎｐｏｗｅｒｖｅｈｉｃｌｅｔｙｒｅｓ￥，Ｗａｎ...

小型载重无人机机翼气动结构的优化设计

针对小型载重无人机常规布局机翼的结构,根据无人机工作要求,计算了机翼的雷诺数和升力系数,比较了两种典型翼型的气动特性,选定MH114翼型为设计翼型,计算得到该无人载重机机翼升力系数、阻力系数及升阻比等参数值。

考虑阻力发散约束的机翼气动/结构多点优化设计

以阻力发散性能为约束,使用基于离散伴随的梯度类优化设计方法对某远程宽体客机机翼/机身/平垂尾/发动机构型进行了气动/结构的机翼多点精细化设计。使用DLR-F6翼身组合体构型对建立的气动/结构耦合数值求解方法进行了验证。对某远程宽体客机构型进行了气动/结构机翼优化设计。优化结果各设计状态的阻力系数均有所减小,巡航状态阻力系数减小13.67 counts,Ma为0.87的设计状态较Ma为0.85的设计状态阻力系数差量由28.52 counts减至18.98 counts,阻力发散性能得到明显改善。将气动/结构多点优化结果与气动学科巡航单点优化结果和结构学科巡航单点优化结果进行了对比。结果表明:相较于单学科单点设计问题,考虑阻力发散特性的气动/结构多点优化设计可以充分挖掘构型设计潜力,得到综合性能更好、工程实用性更强的设计结果。

基于耦合伴随方法的串/并行气动结构优化设计对比

采用RANS方程、线性有限元分析手段、映射点局部插值方法和逆距离动网格技术对气动和结构之间的耦合现象进行了分析。然后基于气动结构耦合伴随方法,对气动和结构设计变量梯度进行了高效求解。最后结合自由曲面变形技术、梯度优化方法构建气动结构优化设计框架。选取飞翼布局民用客机开展气动结构串行与并行优化设计研究。在相同阻力水平的前提下,并行优化结果比串行优化获得了8.4%航程收益和8.3%结构质量收益。同时,串行优化设计结果在中翼段上翼面仍然存在明显激波,而并行优化结果呈现光滑的等间距等压线分布特征。因此并行气动结构优化设计方法可以充分挖掘气动结构耦合下的设计潜力,更有利于对大柔性气动结构优化设计问题进行研究。

一种基于结构动力学的柔性扑翼气动结构耦合方法研究

基于结构动力学理论,发展了一套适用于扑翼气动结构耦合特性的数值模拟方法:采用计算流体力学(CFD)方法数值模拟扑翼的非定常绕流,得到扑翼的非定常气动特性,基于计算结构力学(CSD)方法求解扑翼结构动力学方程得到扑翼的动态结构变形位移,从而得到周期内各时刻的扑翼外形,重复上述过程直至气动、结构变形均收敛。其中,扑翼非定常气动特性通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程得到。对于结构动态特性,首先基于Hamilton原理推导了扑翼的结构运动方程,并对动能和应变能进行变分,得到扑翼动力学方程,然后利用结构有限元方法对该方程进行离散并求解。通过与实验结果进行对比,验证了本文所发展求解程序的有效性。在此基础上针对实际柔性扑翼的简化模型展开数值模拟,研究了柔性变形对扑翼气动特性的影响,并进一步对刚性和柔性扑翼流场细节进行比较,分析研究了结构变形对柔性扑翼气动特性的影响机理。

三维机翼气动结构多学科优化方法

采用Euler方程、连续伴随优化方法、自由形面变形技术(free-form deformation,FFD)以及一种四边形线性壳单元模型对三维机翼气动结构多学科优化方法开展了研究。目标函数为阻力系数和机翼翼盒结构质量的加权和,设计变量为FFD控制点以及10段蒙皮的厚度。气动方面升阻力系数对设计变量的梯度由伴随方法求得,结构方面翼盒质量对于蒙皮厚度的梯度可直接计算,应力的梯度采用有限差分方法获得。对跨声速大展弦比机翼进行气动结构多学科优化,并将该计算结果与机翼气动单学科优化设计后的静气弹计算结果进行对比,结果表明:该气动结构多学科优化方法能够在满足约束条件下,实现阻力系数和翼盒质量同时降低,保证优化结果的合理性。

高速飞行器气动热结构耦合分析及优化设计

气动、热和结构三学科之间的耦合关系是高速飞行器面临的核心问题之一。文中利用强弱耦合关系简化了气动热结构耦合问题,并基于气动加热、瞬态热传导、热结构、热模态和热颤振的单向耦合关系来分析热弹性问题,建立了气动热结构多学科集成分析平台。针对各子学科耗时问题,文中采用了增广的自适应响应面优化策略完成了气动热结构多学科设计优化,在提高了颤振速度的同时,使升力面结构质量有了一定的降低。

基于竞争博弈决策方法的风力机叶片气动与结构优化设计

建立风力机叶片气动模型、结构模型和有限元模型,以7个标准翼型的弦长、扭角、铺层数、铺层位置、腹板位置、主梁帽宽度等27个参数作为设计变量,综合考虑风力机叶片的气动与结构性能,以风力机叶片年发电量和质量为目标函数,考虑叶片强度、刚度、振动性等约束条件,建立风力机叶片多目标优化设计模型。运用竞争博弈决策方法对实际叶片算例进行求解,将叶片气动目标与结构目标作为两个博弈方,并通过模糊聚类将设计变量集合分割为各博弈方拥有的策略子空间,各博弈方以自身博弈得益函数为目标,在各自的策略子空间中进行优化,通过多轮博弈并根据收敛准则获得最终的博弈方案。结果表明,通过竞争博弈得到的叶片参数更为合理,不但减轻了叶片质量,而且增加了其年发电量,显示了方法的有效性。

气动壳体结构中性浮力模拟失重动力学分析研究

目的为中性浮力模拟失重试验提供理论支持。方法将气动壳体结构看作质量恒定、体积可变的刚体结构,研究建立了气动球壳的刚体动力学数学模型和气动力学数学模型,在此基础上,通过计算机仿真研究了气动球壳结构在定质量流量供气条件下的运动规律和余压变化规律等。结果定质量流量供气的气动壳体结构的中性浮力平衡是不稳定的。结论气动壳体结构的中性浮力平衡控制是实现稳定可靠的中性浮力平衡的核心问题。

Al_2O_3纤维在空间充气式气动阻尼结构中的应用

文章分析了空间充气式气动阻尼结构(IADS)柔性热防护系统(TPS)的性能、特点和结构,及Al2O3纤维的性能,通过介绍美国充气式气球伞、充气式回收飞行器、充气阻尼式再入飞行器的TPS,对Al2O3纤维在IADS中的应用前景进行了展望。

飞翼式客机机翼气动/结构综合优化方法研究

针对目前在飞翼客机机翼优化过程中对气动弹性效应考虑不充分、气动/结构耦合不充分的问题,分别对飞翼客机机翼的CFD(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)气动模型、平板气动模型和三维板杆模型进行参数化建模,开展了针对飞翼布局客机机翼的气动/结构综合优化设计的研究,搭建了一套基于Kriging模型的前瞻性设计方法,获得了机翼最优的气动外形和结构构型,在有效降低机翼结构重量的同时,显著地减少了气动阻力。在满足精度及效率的前提下,气动子学科选用亚声速偶极子格网法以及基于Euler方程的CFD方法,结构子学科选用有限元分析方法,优化算法采用遗传算法。

基于共模型技术的大展弦比飞机气动/结构耦合性设计

在考虑弹性变形情况下,以大展弦比飞翼飞机为例,对气动/结构耦合设计方法进行研究提出了几何/结构/气动的共模型技术。首先是基于共模型技术生成表面气动网格和空间气动网格以及结构有限元网格,并实现气动载荷在结构模型和气动模型间的数据传递,最后进行气动/结构耦合计算分析,在进行气动/结构耦合计算分析时要进行多次迭代,直到结构变形达到收敛标准。在迭代的过程中要根据结构弹性变形,重建气动模型。整个设计思想是基于共模型技术将飞机的非线性气动力和结构变形同时考虑到飞机的飞行载荷计算中,更好地研究了大展弦比飞机静气动弹性问题。

跨声速运输机机翼气动/结构优化平台AeroStruct的发展及应用

跨声速运输类飞机由于机翼展弦比大,使得气动加载下机翼变形量大,气动/结构耦合效应明显,因而开展耦合优化设计对提升飞机综合性能具有重要意义。本文研发了一种对该类机翼进行变可信度气动/结构耦合优化设计的自主软件平台(AeroStruct),气动数值模拟可选用N-S/Euler/全速势方程,结构数值模拟集成了结构有限元分析平台,气动/结构耦合分析采用径向基函数插值方法进行数据传递,在自主开发的SurroOpt代理优化软件基础上集成分析模块,实现了考虑静气动弹性效应的机翼气动/结构耦合优化设计。对uCRM-9标模机翼进行了包含76个设计变量的减重优化设计,最优方案比基准机翼结构质量减小约13%,优化效果显著。