近20年来长航时飞行的需求强烈,大柔性飞行器的几何非线性气动弹性问题逐渐凸显,使得气动弹性力学面临新的挑战。本文针对大展弦比大变形的柔性飞行器,调研和分析了目前几何非线性气动弹性工程研究领域中主要使用的气动建模方法,着重介绍基于片条理论、面元法和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术等气动建模方法在静、动气动弹性分析中的主要特点、研究现状与应用状况,并对大展弦比大变形机翼的气动弹性分析中气动力方法的发展提出若干建议,供气动弹性基础研究和工程应用研究人员参考。

从工程实用角度出发计算了某型大展弦比太阳能无人机不同设计阶段的主结构设计载荷。在初始设计阶段,通过求解平衡方程和采用涡格法计算了气动载荷分布和刚性飞机的结构载荷;在详细设计阶段,通过叠加弹性模态,采用全机配平法计算了弹性飞机的载荷。对关键的设计工况还采用了精细方法进行校核,校核结果与计算结果吻合较好,表明该计算可用于工程实践。

针对大型民用飞机复杂机翼-副翼系统,利用双协调动态子结构法建立了缩比三维机翼-副翼带间隙操纵面颤振分析模型,得到非线性气动弹性方程,并分别在频域及时域内建立了求解方法在频域内,利用谐波平衡法进行求解,通过引入间隙刚度的描述函数及相对舵偏振幅,建立了可利用V-g法进行颤振计算的方案;在时域内,利用有理函数拟合和时域推进法进行数值仿真,得到了与频域法结果相吻合的操纵面颤振极限环振荡特性规律。对三维矩形机翼模型开展风洞试验,揭示了间隙对操纵面颤振特性间的影响间隙非线性使系统出现极限环振荡并使系统振荡发散风速明显降低。

与常规飞机相比,电动飞机在气动布局方面采用了更大的展弦比,在气动力作用下弹性变形更加明显。针对双座电动飞机风洞试验模型,采用计算流体力学/计算固体力学(computational fluid dynamics/computational structural dynamics,CFD/CSD)流固耦合方法分别计算了机翼有无弹性变形的气动力特性,并与面元法和风洞试验结果进行比较。结果表明,受弹性变形影响后升力系数增加,阻力系数减小,相同升力系数下的升阻比几乎没有变化,弹性变形对俯仰力矩系数影响显著,变形后的纵向静安定裕度显著提高。采用面元法计算气动弹性变形的方法计算高效,升力系数误差在10%以内,能满足工程实际应用;CFD/CSD流固耦合计算与风洞试验结果更接近,升力线斜率较风洞试验低7%;变形后的纵向静安定性随迎角有增大趋势,与风洞试验结果一致;弹性变形对机翼扭矩影响较大。

地面颤振试验(ground flutter test,GFT)系统采用少量激振器模拟连续分布气动力,为实现气动插值点的缩聚,推导了地面颤振试验系统的控制方程,对比了GFT系统和原颤振系统控制方程在广义力项区别,定义了激/测振点位置优化的目标函数;为了提高插值精度,充分利用结构振动已知信息,提出了虚拟激/测振点技术;采用分群粒子群算法兼顾局部寻优和全局寻优,搭建优化流程,对插值点进行优化配置。基于平板机翼开展了GFT系统激/测振点位置优化计算,构建了地面集中气动力并进行了颤振特性测试试验。试验结果表明,本研究提出的方法精度较高,满足地面颤振试验的需求。

前掠机翼相对于后掠机翼具有增升减阻、延迟失速和提高飞机的机动性能等优势,但其表面特殊的压力分布导致的气动弹性发散问题一直是制约其发展和应用的瓶颈难题。以前掠翼气动弹性发散的有效主动抑制问题为背景,结合气动与结构优化设计和流动控制理论,研究多控制面联合偏转时机翼表面的流动形态和载荷分布,揭示其对前掠翼气动弹性的作用机理和影响规律,探索多控制面联合偏转对前掠翼气弹发散主动抑制的可行性。针对前期研究单组控制面偏转对前掠翼的弯扭变形抑制效果不佳等问题,以较小的气动弹性变形为约束条件,以获得较好的气动性能收益为目的,采用CFD/CSD松耦合数值仿真计算方法,通过耦合求解三维非定常N-S方程组和线弹性静力学方程组,对前掠机翼的单组和多组控制面同向偏转时的流动形态、压力分布和弹性变形进行了研究。结...

针对非光滑气动弹性系统,结合增量谐波平衡方法和快速傅里叶变换,提出了改进的增量谐波平衡方法;通过对数值解进行傅里叶变换,确定响应中的主导频率,然后利用获得的主导频率建立增量谐波平衡方程,获得较少数目的线性化代数方程组,求解该线性化代数方程组,得到高阶近似解;以迟滞非线性和间隙非线性的气动弹性系统为例,将本文的方法获得了系统的响应与数值解对比,验证本方法的准确性,讨论了谐波个数对解精度影响以及两种非光滑系统中的参数对响应幅值的影响。

为了研究间隙非线性对颤振特性的影响,本文采用基于非定常雷诺平均方程的非定常气动力求解方法,耦合结构运动方程建立了时域气动弹性分析系统,并运用该系统计算三自由度无间隙二元翼段构型的颤振速度。采用描述函数法对间隙问题进行处理,得到了间隙非线性所带来的极限环振荡现象,并分析亚跨音速阶段间隙大小对颤振特性的影响。通过研究预加载对颤振特性的影响,得出预加载能够减弱间隙非线性影响,有效提高系统颤振速度。

以大展弦比机翼为研究对象，结合几何非线性结构有限元建模方法与非线性气动力计算技术，提出了一种利用插值技术求解几何非线性气动弹性问题的方法。并以某太阳能无人机机翼缩比模型为例进行计算分析以及试验研究。研究结果表明:提出的方法得到非线性颤振解与常规方法得到的计算结果基本一致，但应用此方法后，不仅计算效率成倍提高，而且能规避常规方法中由于计算工况设定不合理可能导致的严重计算偏差。

本文通过对载荷设计中的静气动弹性分析方法进行研究，发展了一种基于外部刚性气动力数据和改良片条理论修正的弹性载荷修正方法。其中结构变形通过工程梁方法提取部件刚度阵进行计算，气动力通过网格化模型基于外部试验或CFD气动力数据库插值得到。结构和气动之间位移和力的数据传递分别利用曲面样条和形函数面积坐标加权法插值，弹性载荷修正通过改良后的片条理论计算，由此迭代循环直至结构变形收敛。同时通过对相关工程实例进行分析计算并与成熟方法对比，验证了该方法的可行性和高效性。