大展弦比后掠机翼静气弹效应对气动载荷的影响实验与分析

通过实验与理论分析结合的方法,针对静气弹效应对大展弦比后掠机翼气动载荷影响的问题进行了研究。加工了三副刚度各不相同的机翼,在一系列工况中进行风洞实验,对各个模型的气动载荷进行测量,通过对比可以得到机翼弹性对气动载荷的影响量。在理论分析中通过工程梁理论计算弹性机翼变形,通过升力面理论计算弹性变形引起的气动力增量,在二者之间迭代收敛后得到机翼弹性对气动载荷的影响量,并将其与实验结果进行对比。对比结果表明理论分析和实验吻合程度较好,表明了在机翼气动载荷计算中计入静气弹效应后,大展弦比后掠机翼的弯矩会有显著的降低,对于减轻结构重量有重要的意义。     

基于螺旋桨滑流效应的大展弦比机翼气动弹性分析

以高空长航时大展弦比太阳能无人机机翼为研究对象，针对分布式电驱螺旋桨滑流和大展弦比机翼之间耦合的复杂气动干涉问题，采用滑移网格方法、动网格技术、SST k-ω RANS湍流模型和CFD/CSD （Computational Fluid Dynamics/Computational Structural Dynamics）双向流固耦合技术，研究了螺旋桨不同转速、布局方式和气动阻尼对机翼气动弹性响应的影响。数值计算结果表明，螺旋桨滑流会改变机翼表面的压力分布；螺旋桨流场对机翼的扰动频率接近机翼的结构固有频率时，机翼会发生共振；螺旋桨的位置越靠近翼尖，或螺旋桨的数量增多，都将增加机翼气动弹性响应的幅值。     

考虑几何非线性的复合材料机翼气动弹性分析

本文研究结构几何非线性与气动力非平面效应对大展弦比复合材料机翼的气动弹性行为的影响．将非线性有限元法与曲面涡格法结合，计算机翼静气动弹性变形；通过曲面偶极子格网法结合静气动弹性平衡位置处的结构切线刚度，建立气动弹性方程并求解得到机翼颤振速度．针对板模型机翼，分析了迎角对机翼几何非线性气动弹性特性的影响．结果表明：本文复合材料板模型机翼的颤振形式不受水平弯曲模态影响，属于经典弯扭颤振；在几何非线性的影响下，机翼扭转频率随结构变形增大而明显减小，颤振速度随迎角增大而减小．     

大展弦比机翼中液压管路的抗大变形设计与优化方法

提出了一种大展弦比机翼管路的抗大变形设计与优化方法。首先建立了大展弦比机翼平板-不同布局管路的装配简化模型;然后分析了在机翼大变形下,管道的弯曲位置、弯曲半径、横向距离、弯曲角度等几种不同布局参数,对管路根部应力、最大应力和卡箍处变形的影响关系。结果表明:弯曲位置与横向距离对应力有较大影响,弯曲位置靠近机翼根部可以降低管道根部应力,但是最大应力显著增加,横向距离的增加可以降低管路根部应力以及最大应力;弯曲位置和弯曲半径对卡箍处变形有较大影响,随着弯曲位置从机翼板根部向变形处移动,卡箍处变形量均先减小后增加,弯曲半径的增加会降低卡箍处变形量。采用遗传算法得到在机翼大变形下最优的管形布局,结果表明,卡箍附近最大应力比直管降低了51%。     

基于传递函数法的带多个外挂机翼颤振分析

基于带外挂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，通过机翼的运动微分方程、二元机翼非定常气动力Therdorson 模型、结合外挂挂载处的内力平衡与位移状态条件，得到了三维的带多个外挂大展弦比机翼的颤振微分方程．进而，使用传递函数方法，先将颤振计算方程整理成为状态空间方程形式，结合求解复特征值的方法，完成了带多个外挂大展弦比机翼的动气动弹性稳定性分析．对比已有文献的计算结果以及通过有限元方法进行的仿真结果，证实了文章所提计算方法的准确性和高效性，结合传递函数方法的优势，进一步将文章方法拓展到机翼的固有频率和发散速度求解．文章结尾，分析了外挂数量、外挂质量、转动惯量及位置分布等变量对带多个外挂大展弦比机翼的动气动弹性稳定性的影响．     

大展弦比机翼非线性颤振特性研究

为了研究大展弦比机翼水平弯曲模态参与耦合时的颤振特性,首先用考虑几何非线性的颤振分析方法研究了某大展弦比机翼的颤振特性,建立了大展弦比机翼非线性颤振分析的简化模型,即盒段模型;然后通过组合不同的水平弯曲频率、扭转频率形成不同的接近模式,系统分析了不同接近模式对盒段模型非线性动力学特性的影响规律,提出了水平弯曲频率和扭转频率发生模态交换的存在条件。在此基础上通过对盒段模型进行非线性颤振分析发现:水平一弯模态参与耦合降低了机翼传统模式的线性颤振速度,增大水平一弯的频率有助于该类颤振速度的提高;在水平一弯频率和扭转频率逐步接近时,会导致机翼颤振速度显著下降,且颤振类型会由水平一弯和垂直弯曲耦合的颤振转化为水平一弯和扭转耦合的颤振。     

含间隙非线性的大展弦比机翼/外挂系统的气弹响应分析

综合考虑大展弦比机翼的柔性变形和外挂与机翼连接处的间隙非线性,建立了机翼/外挂系统的气动弹性力学模型。采用非定常气动力,根据Lagrange方程推导了大展弦比机翼/外挂系统的运动微分方程。运用伽辽金法进行了离散,通过数值模拟研究了系统的气动弹性响应及其稳定性。结果表明:系统极限环振动的临界速度随间隙的增大而减小,随间隙初偏值的增加而增大;几何非线性可大幅降低系统极限环振动的幅值;随流速的增加,系统呈现出复杂的响应,周期运动与混沌运动相间出现;最后系统发生屈曲。     

大展弦比无人机的静气弹问题计算及分析

普遍采用大展弦比机翼的无人机,其气动弹件的问题显得尤为突出.本文主要研究基于非结构弹性网格体系的欧拉方程CFD计算及其在大展弦比无人机静气动弹性问题中的应用.针对三维非结构运动网格技术进行了研究和开发,在此基础上,利用计算流体力学的方法,发展了一套具有一定通用性的、适用于非结构网格的Euler方程流场求解器,并综合上面的技术,进一步通过耦合结构力学方程,对大展弦比无人机的静气动弹性问题进行了,计算和分析.     

外挂物对大展弦比直机翼颤振特性的影响

为提高带外挂物大展弦比直机翼的颤振速度,基于假设模态法提出一种带集中质量弯扭组合梁模态分析手段,结合片条理论考察外挂物不同质量及布置形式对机翼颤振特性的影响。首先,基于弯扭组合梁建立带外挂物大展弦比直机翼的结构动力学模型,并利用假设模态法得到其弯曲和扭转模态。其次,引入片条理论近似计算有限翼展升力面的气动力,调整外挂物的质量、数目及其在机翼展向和弦向的相对位置,得到外挂物对机翼颤振特性的影响规律。最后,利用在机翼前缘附近悬吊小质量外挂物可提高机翼颤振速度的优势,探究颤振速度恢复方法并提出颤振速度恢复的优化问题,使得携带外挂物的机翼与不携带外挂物的机翼颤振速度基本相同。研究结果表明,外挂物的不同悬挂方式可引起机翼颤振模态的跳转,在以俯仰为颤振主模态的机翼上可调整外挂物位置以恢复原机翼的颤振速度。     

西南某大型水电站拱肩槽边坡开挖的变形响应研究

对基于结构网格的Euler方程及N-S方程求解器和基于非结构网格的Euler方程求解 器,采用结构模态分析方法和柔度矩阵方法,对无人机大展弦比机翼在Ma=0.6, α=2?, 飞行高度20km的巡航状态下的静气动弹性特性进行了数值模 拟. 验证了两种求解器对静气动弹性模拟的准确性. 同时,对模态分析方法和柔度 矩阵方法进行了对比研究,发现柔度矩阵方法更适用于静气动弹性数值模拟. 另外, 对应用物面法向偏转方法替代网格变形技术模拟静气动弹性进行了研究,计算表明 物面法向偏转方法可以大大提高静气动弹性计算效 率和克服机翼结构变形过大时动网格技术无法处理的不足.     

考虑界面滑移效应的组合裂纹梁弯曲解析解

将上部子梁的裂纹等效为线性扭转弹簧,考虑组合梁连接面的滑移位移,建立了以组合裂纹梁挠度和滑移位移为基本未知量的组合裂纹梁弯曲变形一维数学模型．利用Laplace变换及其逆变换,给出了组合裂纹梁弯曲变形一维数学模型的解析通解．在此基础上,研究了均布载荷作用下简支组合裂纹梁的弯曲变形问题,数值分析了连接面剪切刚度、裂纹深度、数目和位置等参数对组合裂纹梁弯曲变形的影响,结果表明：在裂纹处,组合裂纹梁挠度曲线存在尖点,而横截面转角曲线存在跳跃,且随着裂纹数目和深度的增加,挠度和横截面转角跳跃值增大;随着连接面剪切刚度的增加,挠度和横截面转角减小,并最终趋于定值．并且,随着组合梁跨高比的增加,连接面剪切刚度对梁挠度影响逐渐减弱．     

基于RBF插值技术的CFD/CSD非线性耦合分析方法研究

基于非结构混合网格的N-S方程求解器和结构柔度影响系数法,发展了一种考虑气动、结构非线性的基于RBF插值技术CFD/CSD耦合分析方法,适用于解决现代大展弦比飞机的非线性静气动弹性问题。该方法采用时间相关法（即求解非定常方程组,用长时间的渐近解趋于定常状态）求解静气弹分析时的定常流动。考虑大展弦比飞机结构变形问题为大变形小应力问题,在利用柔度系数法求解结构方程时,假设每次求解结构方程时应力与应变为线性关系,整体静气弹分析过程为非线性关系,因此每次求解结构方程时要更新柔度影响系数矩阵。在非定常N-S方程每求解一个时间步耦合一次结构有限元分析,由于结构有限元分析的时间相对于气动分析时间是很短的,所以这种方法实际上近似使用了一次求解非定常气动力的时间完成了整个静气动弹性分析的过程。对于气动网格与结构有限元网格不一致性,本文采用径向基函数（RBF）插值方法中的TPS方法进行结构弹性变形和气动载荷插值,采用虚功原理完成气动载荷数据交换。为了节省气弹分析时间,采用动网格方法对气动网格进行更新,本文基于RBF插值方法发展一种适用于混合网格（四面体、三棱柱、金字塔和六面体）变形的动网格方法,可以保证附面层网格的质量与分布从而准确模拟其流动。利用该方法对M6机翼、DLR-F6翼身组合体和某大型客机机翼进行了静气动弹性特性分析,结果验证了本文开发的非线性CFD/CSD耦合分析方法的可行性、精确性和高效性。     

Reduced order nonlinear aeroelasticity of swept composite wings using compressible indicial unsteady aerodynamics

Nonlinear dynamic aeroelasticity of composite wings in compressible flows is investigated. To provide a reasonable model for the problem, the composite wing is modeled as a thin walled beam (TWB) with circumferentially asymmetric stiffness layup configuration. The structural model considers nonlinear strain displacement relations and a number of non-classical effects, such as transverse shear and warping inhibition. Geometrically nonlinear terms of up to third order are retained in the formulation. Unsteady aerodynamic loads are calculated according to a compressible model, described by indicial function approximations in the time domain. The aeroelastic system of equations is augmented by the differential equations governing the aerodynamics lag states to derive the final explicit form of the coupled fluid-structure equations of motion. The final nonlinear governing aeroelastic system of equations is solved using the eigenvectors of the linear structural equations of motion to approximate the spatial variation of the corresponding degrees of freedom in the Ritz solution method. Direct time integrations of the nonlinear equations of motion representing the full aeroelastic system are conducted using the well-known Runge–Kutta method. A comprehensive insight is provided over the effect of parameters such as the lamination fiber angle and the sweep angle on the stability margins and the limit cycle oscillation behavior of the system. Integration of the interpolation method employed for the evaluation of compressible indicial functions at any Mach number in the subsonic compressible range to the derivation process of the third order nonlinear aeroelastic system of equations based on TWB theory is done for the first time. Results show that flutter speeds obtained by the incompressible unsteady aerodynamics are not conservative and as the backward sweep angle of the wing is increased, post-flutter aeroelastic response of the wing becomes more well-behaved.     

大变形复合材料柔性梁静,动特性的试验研究

本文对两种铺层的复合材料柔性梁进行了静、动特性的试验研究，重点研究了挠度、结构耦合、梁的根部安装角等对变形、固有频率的影响。得出的结论有助于直升机旋翼桨叶的设计和发展，并且验证了大挠度复合材料柔性梁的分析模型     

外包钢-砼组合梁纯扭作用下抗扭刚度的实验及数值模拟

为了研究新型外包钢-砼T形截面组合梁在纯扭作用下的变形性能,设计了5根不同配箍率的的足尺悬臂组合梁。通过对5根悬臂梁的抗扭性能的实验研究,得到了组合梁的扭矩-扭率关系曲线。利用有限元分析软件ANSYS,对组合梁的抗扭性能进行了非线性有限元分析,得到了混凝土与外包钢在极限阶段的应力云图。根据实验以及有限元结果分析了组合梁在整个加载过程中扭转刚度的变化。基于现行砼结构设计规范,提出了组合梁从开裂到极限阶段抗扭刚度的计算公式,可供组合梁受扭设计参考。把有限元模型和公式的计算结果与实验结果进行比较,三者吻合较好。     

风荷载对高烟囱爆破倾倒偏转角的影响

从高烟囱余留支撑体截面的中性轴方程出发,推导顺风荷载与横风共振共同作用下,高烟囱定向爆破倾倒偏转角的修正公式,研究不同风级（4~6级）、不同切口角（190°~220°）、不同风向角（0°~180°）对爆破倾倒偏转角的影响规律,并对最大偏转角的绝对值和产生条件进行讨论,最后以南昌电厂210m高烟囱的爆破参数设计和触地防护过程为例进行验证。计算表明,对于高耸烟囱,考虑横风共振后倾倒偏转角显著增大,是顺风引起偏转角的4~5倍;风级一定的条件下,存在最不利风向角,致使烟囱产生最大偏转角;最大倾倒偏转角随着风力等级的增大而增大,随着切口角的增大而减小。     

折叠翼飞行器的动力学建模与稳定控制

折叠翼飞行器在变形过程中,其动力学模型呈现多刚体、多自由度和强非线性特点,同时气动力/力矩、压心、质心和转动惯量等参数也会大幅度变化,严重影响飞行稳定性. 由此,本论文将对飞行器的多刚体动力学建模与变形稳定控制进行研究.基于凯恩方法建立了折叠翼飞行器的多刚体动力学模型,并从中得到了变形所产生的附加力和力矩表达式.通过气动计算拟合出气动参数与折叠角之间的函数关系,由此分析了不同折叠角速度下飞行器的纵向动态特性, 结果表明,折叠翼飞行器变形过程中速度、高度和俯仰角均会发生变化,飞行器无法保持稳定飞行.为此提出了一种基于自抗扰理论的飞行器变形过程中的稳定控制方法.将折叠翼飞行器纵向非线性动力学模型中存在的非线性项、耦合项以及参数时变项都视为系统内外总扰动,利用扩张状态观测器对总扰动进行实时估计和补偿, 针对补偿后的系统设计PD控制器,实现了速度通道和高度通道的解耦控制.通过Lyapunov稳定性原理证明了系统的稳定性, 并进行数学仿真验证. 仿真结果表明,基于自抗扰理论设计的稳定控制器能够解决飞行器变形所带来的强非线性和参数时变等问题,保证飞行器的高精度稳定控制.      

DYNAMIC MODELING AND STABILITY CONTROL OF FOLDING WING AIRCRAFT 1)

折叠翼飞行器在变形过程中,其动力学模型呈现多刚体、多自由度和强非线性特点,同时气动力/力矩、压心、质心和转动惯量等参数也会大幅度变化,严重影响飞行稳定性. 由此,本论文将对飞行器的多刚体动力学建模与变形稳定控制进行研究.基于凯恩方法建立了折叠翼飞行器的多刚体动力学模型,并从中得到了变形所产生的附加力和力矩表达式.通过气动计算拟合出气动参数与折叠角之间的函数关系,由此分析了不同折叠角速度下飞行器的纵向动态特性, 结果表明,折叠翼飞行器变形过程中速度、高度和俯仰角均会发生变化,飞行器无法保持稳定飞行.为此提出了一种基于自抗扰理论的飞行器变形过程中的稳定控制方法.将折叠翼飞行器纵向非线性动力学模型中存在的非线性项、耦合项以及参数时变项都视为系统内外总扰动,利用扩张状态观测器对总扰动进行实时估计和补偿, 针对补偿后的系统设计PD控制器,实现了速度通道和高度通道的解耦控制.通过Lyapunov稳定性原理证明了系统的稳定性, 并进行数学仿真验证. 仿真结果表明,基于自抗扰理论设计的稳定控制器能够解决飞行器变形所带来的强非线性和参数时变等问题,保证飞行器的高精度稳定控制.