Conceptual Design and Aerodynamic Study of Joined-Wing Business Jet Aircraft

The concept of joined-wing aircraft with nonplanar wings as conceived and patented by Wolkovitch is attractive due to various advantages such as light weight, high stiffness, low induced drag, high trimmed CLmax, reduced wetted area and parasite drag and good stability and control, which have been supported by independent analyses, design studies and wind tunnel tests. With such foreseen advantages, the present work is carried out to design joined-wing business-jet aircraft and study and investigate its advantages and benefits as compared to the current available conventional business jet of similar size, passenger and payload capacity. In particular, the work searches for a conceptual design of joined-wing configured business-jet aircraft that possesses more superior characteristics and better aerodynamic performance in terms of increased lift and reduced drag, and lighter than the conventional business jet of similar size. Another significant objective of this work is to prove that the added rigidity possessed by the joined wing configuration can contribute to weight reduction.

基于Fluent的机翼翼盒通风方案仿真与试验

以机翼外翼翼盒作为研究对象,针对施工人员进入翼盒作业时的环境保障问题,设计通风方案并进行仿真分析。首先进行简化物理模型,建立数学模型,分析边界条件。然后采用计算流体力学软件Fluent对翼盒内气流速度、温度、甲醛浓度等进行模拟。根据仿真结果对各个通风方案的通风效果、制冷效果以及空气净化效果进行分析,最后设计进行实物通风实验对仿真结果进行验证。实验结果表明与仿真模拟的结果一致,验证了设计的机翼翼盒通风系统方案的可行性。

现浇箱梁弧形翼板支撑结构施工应用

南大干线(番禺大道节点立交)工程施工总承包项目跨线桥、匝道桥均为弧形斜腹翼板,施工过程中采用“定型龙骨架配合木模板支撑体系”进行现浇箱梁弧形斜腹翼板施工,克服了定型钢模板加工成本高、自重大、施工不便利,双拼钢管龙骨配合木模板稳定性差、侧向抵抗力差、施工质量难以把控等缺点。通过对支架结构形式、材料、桥梁平面曲率半径、受力分析、安装工艺以及位移监测等方面进行分析研究,研究表明运用定型龙骨架进行现浇弧形斜腹翼板施工,定型龙骨架结构受力仅为材料强度的36.7%,竖向变形能控制在l/800,水平位移能控制在0.4 mm以内,每联支撑体系搭设工期节约了约3天,每次周转成本节约了约4.5万元。

HHT在复合材料机翼盒段结构小损伤检测中的应用

提出一种检测结构微损伤的时域方法,利用H ILBERT-HUANG变换技术,研究了悬臂机体盒段结构的损伤振动检测问题,并引入轴对称信号扩展法解决EMD过程中的端点效应。用EMD技术分解完好盒段与损伤盒段在方波信号激励下的动力响应信号,得到一系列IMF分量;然后求出各阶IMF分量对应的瞬时频率,从中提取出结构损伤信息-瞬时频率变化量,作为损伤特征参数;并研究了将之作为损伤特征参数的抗噪声干扰能力。

某无人机复合材料主翼盒准等强度设计与有限元分析

以某无人机复合材料主翼盒准等强度设计与优化为目标,研究了主翼盒基于载荷分段的包络设计方法与铺层优化方法。采用等步长载荷包络设计方法计算了准等强度翼盒前梁的分布载荷,给出了前、后梁的初步铺层设计。建立了主翼盒的有限元模型,基于有限元分析结果校核了主翼盒的强度、刚度和稳定性。给出了主翼盒前、后梁以及蒙皮的铺层优化方案。研究结果表明,等步长载荷包络设计方法能够方便地计算主翼盒前、后梁的分段载荷;基于经典层合板理论对主翼盒进行铺层的初步设计,并运用有限元软件进行分析与校核,可以快速、有效地完成主翼盒铺层的分段优化设计;大展弦比机翼受最大正过载时,翼根上表面受压缩载荷,前梁上缘条和上蒙皮易发生局部屈曲失稳;减少主翼盒前、后梁下缘条以及下蒙皮铺层数目,可使结构减重达5.23%。

基于支持向量回归机的机翼盒段结构健康监测研究

针对大型飞行器结构的健康监测问题,提出采用光纤光栅型智能结构监测方法对机翼盒段进行载荷监测。对埋置的光纤光栅传感器的光谱进行了分析,研究了光纤光栅传感器中心波长变化与载荷位置的关系。采用支持向量机研究机翼盒段载荷自诊断问题,并对支持向量机的相关调整参数进行了优化,预测结果与广义回归神经网络进行对比。结果表明,支持向量机的网络测试误差为0.23%,预测精度明显高于广义回归神经网络。实验证明该方法在训练样本较少时,仍然能有效地判定载荷位置,系统的辨识力较高。

基于准分布式光纤光栅传感器的机翼盒段载荷监测

以某型飞机机翼盒段为研究对象,建立了盒段试件的有限元模型,分析外载荷和应变分布之间关系。采用波分复用形式构建了分布式光纤Bragg光栅传感网络测量盒段试件的应变,设计了网络中光纤传感器的排布方式,在此基础上研究了传感网络的温度补偿方法。运用波长监测方法对盒段结构承受的不同载荷进行了实验研究。结果表明,传感器的波长偏移与载荷成线性关系,斜率由于加载点位置的变化而不同。传感器的最大载荷监测灵敏度达3.09 pm/N。

基于振动响应和HHT技术的机翼盒段结构损伤检测方法研究

提出一种利用结构振动响应和HILBERT-HUANG变换(HHT)技术检测结构小损伤的时域方法,研究了基于HHT的悬臂机翼盒段结构的损伤特征量的提取方法,给出了所提取特征量与结构损伤程度之间的关系。用HHT技术处理完好盒段与损伤盒段在信号激励下的结构动力响应信号,得到信号的希尔波特谱;然后求出希尔波特谱对应的瞬时能量,从中提取出结构损伤信息—瞬时能量变化量,作为损伤特征参数;并研究了将之作为损伤特征参数的抗噪声干扰能力。最后给出了瞬时能量变化量最大值与结构损伤程度之间的关系。

复合材料翼面结构优化设计及分析

复合材料具有比强度高、比刚度大、抗疲劳等诸多优异性能,在航空航天结构中得到了广泛的应用。复合材料在新研制的飞机上的应用比重也越来越高,在大型民用飞机Boeing787上,复合材料结构重量占到了全机结构重量的50%。复合材料层合板具有无与伦比的设计潜力,成为复合材料中使用最多的一种结构形式。本文以某型号飞机机翼翼盒为研究对象,建立了翼盒结构的有限元模型,以结构质量为目标函数,以位移、应变和屈曲因子为约束条件,并利用工程优化软件对复合材料翼面进行优化。整个翼面设计优化过程包括三个阶段:自由尺寸优化、层组尺寸优化和层叠次序优化。优化结果表明,通过三个阶段的优化,在满足刚度、强度和稳定性三种约束的要求下,明显减轻了翼面结构的质量。

基于布拉格光纤光栅的碳纤维壁板损伤监测研究

针对大型的碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,提出使用光纤布拉格光栅测量结构应变场分布,通过神经网络判别结构损伤的方法,对典型的飞机碳纤维复合材料盒段壁板结构进行健康监测研究。研究了损伤对机翼盒段壁板结构应变场的影响,研究结果表明,光纤布拉格光栅作为传感器可以较好地应用于航空材料的结构健康监测中,采用神经网络的判别方法可以较准确地判别出结构损伤的位置和程度。

基于FBG的机翼盒段结构健康监测系统功能验证研究

光纤布喇格光栅(FBG)传感器因其具有抗电磁干扰,质量轻,可多路复用等优点,在结构健康监测领域有广泛的应用前景。国内在航空结构的健康监测领域研究中,对FBG传感器的应用研究均集中在实验室小尺寸试件上进行,该文在某型无人机大型碳纤维复合材料机翼盒段实验件上布置了34个FBG传感器组成FBG健康监测系统,在机翼盒段的强度测试中对其进行了在静态扭转和弯曲载荷下的在线实时应变分布监测,并将其与传统应变片测得的数据进行对比,得到了好的吻合性。该文还针对FBG的该应用,对其粘结剂的选取和标定方法进行了讨论。

大悬臂展翅预应力混凝土宽箱梁桥极限承载力分析

针对大悬臂展翅结构的极限承载能力问题,以某大悬臂展翅预应力混凝土宽箱梁桥为实际工程背景,建立精细的空间有限元模型进行数值分析。考虑结构几何非线性和材料非线性,研究偏心集中荷载、对称集中荷载、均布荷载3种工况作用下,结构的极限承载能力及裂缝的分布规律。结果表明,对称加载形式的极限承载能力大于非对称加载形式的极限承载能力;非对称荷载作用下,桥梁应力及裂缝分布也具有较大非对称性,且悬臂板根部更加容易出现裂缝,均布荷载作用下,桥梁边跨应力状况劣于中跨。

基于LS-SVMs机翼盒段壁板损伤辨识研究

针对大型的碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,研究采用光纤布喇格光栅测量结构应变场分布,提出采用最小二乘支持向量机(LS-SVMs)建立应变场-损伤非线性黑箱模型辨识结构损伤法,对典型的飞机碳纤维复合材料盒段壁板结构进行健康监测研究。针对大尺寸带有加强桁条和螺钉通孔的复杂结构盒段壁板试件,建立了7个点的布喇格光栅应变测量网络测量试件有代表性区域的应变场。通过施加280个不同的点载荷模拟损伤,建立应变场与损伤的非线性映射关系黑箱模型;采用LS-SVMs的黑箱模型辨识法对应变场进行有效辨识,准确地判别出280种结构损伤的位置和程度。

基于混合算法的机翼多功能盒段传感器优化布置

采用混合传感器优化布置算法,将其应用在某多功能机翼盒段模型的结构健康监测试验中。用有限元方法进行模态分析,运用混合算法得到传感器的布置方案。通过有效独立法确定传感器的初始测点,然后利用模态置信度方法确定传感器的数量,最终得到传感器的布置方案。对已完成传感器布置的机翼盒段进行拉拉疲劳试验,采用提出的损伤特征量构造方法进行结构健康监测。结果表明,采用混合算法布置的传感器可以有效采集结构信息,满足在实际工程中的应用要求。

大型复合材料加筋壁板自动化制造技术研究

先进复合材料由于其性能上的优势,在飞机上的应用越来越广。然而目前国内的复合材料行业仍以手工成型为主,研究大型复合材料加筋壁板自动化制造技术对推动国内复合材料行业发展具有重要意义。以某型号中央翼盒下壁板为研究对象,验证了自动铺带、热隔膜成型、自动翻转组合等整套自动化制造流程,为建设复合材料自动化生产线打下了基础。

大展弦比机翼剖面刚度分析

通过对变截面悬臂梁在一端受载时,自由端的位移、转角和悬臂梁各剖面刚度之间关系的分析,推导出一种基于有限元模型的剖面刚度计算方法。针对某型飞机,对机翼结构进行适当简化,建立机翼主承力结构的有限元模型,采用所推导出的方法计算了机翼沿展向各剖面的刚度,其结果可为某型飞机机翼结构设计和气动弹性分析提供参考。

盒式机翼布局气动特性研究

采用数值模拟的方法研究了盒式机翼布局的气动特性。在数值模拟过程中,控制方程为雷诺平均N-S方程,采用基于非结构网格的有限体积方法进行求解。空间离散采用了Osher逆风格式,时间离散则采用五步Runge-Kutta格式。紊流模型采用了S-A方程模型。对盒式机翼布局外形在不同状态下的流场进行了数值模拟,给出了每个状态下的气动参数,并进行了分析,结果显示盒式机翼布局具有较好的气动特性。

某型民用运输机机翼应力与变形分析

为了探究大型运输机在使用限制范围内,典型载荷作用下机翼的应力分布和变形量,针对某型飞机,建立了机翼翼盒段有限元模型。对巡航状态、最大正过载和最大负过载(1 g,2.5 g,-1 g)三种典型工况进行应力和变形分析。结果显示,巡航状态机翼向上弯曲的最大变形量为1.33 m,32~33号肋区域应力较大;最大正过载时,机翼向上弯曲的最大变形量为3.69 m,应力较大区域与巡航状态类似;最大负过载情况下,机翼向下弯曲的最大变形量是1.81 m,18~19号肋区域应力较大。通过与同级别飞机试验数据的比较,验证了计算结果的准确性。分析结果可为大型飞机机翼结构设计和气动弹性分析提供参考。

一种面向航空结构的具有穿透能力的无线节点

针对结构健康监测中应用的无线节点结构穿透能力差的问题,提出了一种面向航空结构的具有穿透能力的433 MHz无线节点的设计方法。给出了节点的详细硬件设计及通讯协议设计方法,实验对比了所设计节点和常规应变测试系统的应变测试结果,验证了节点设计方法的正确性。在封闭飞机机翼盒段内部布置节点,实验对比了所设计节点和基于2.4GHz的Telosb节点的通信丢包率。结果表明,所设计节点的结构穿透能力强于Telosb节点。功耗测试结果也表明,所设计节点的功耗小于Telosb节点。

多墙翼面结构后屈曲强度试验和数值研究

采用静态试验和有限元分析相结合的方法研究了复合材料中厚蒙皮多墙翼面结构的后屈曲性态、强度和破坏过程。有限元分析取得的载荷-位移曲线和试验结果的一致性说明了有限元模型的正确性。在此模型基础上,采用非线性弧长法追踪外载-位移路径,研究了盒段在压缩和集中力两种不同载荷下的后屈曲行为。给出了屈曲临界载荷和屈曲变形性态,分析了后屈曲强度和破坏过程。