基于Ω形蜂窝的夹芯式大变形柔性蒙皮结构设计与性能分析

变体飞机根据不同飞行状态改变机翼形状以获得最佳的气动效能，从而提高在多工况下执行多目标任务的能力。表面结构的柔性蒙皮设计是实现变体结构的关键，需要设计具有足够协同变形能力的同时，还能够承受表面的气动载荷、保持光滑气动外形性能的柔性蒙皮结构。针对这一需要，本文提出一种基于Ω形蜂窝的夹芯式大变形柔性蒙皮结构（Ω形柔性蒙皮）。利用参数优化技术以最小化构型变形方向的刚度为目标确定Ω构型的拓扑结构；推导出Ω形蜂窝柔性蒙皮结构的面内等效弹性性能预测公式，并通过数值仿真分析了该结构的面内变形性能和面外承载能力。通过与蛇形蜂窝和正余弦蜂窝两种夹芯式柔性蒙皮结构的面内变形能力的对比分析，验证了该柔性蒙皮的良好性能。结果表明，所提出的Ω形柔性蒙皮结构具有良好的面内可恢复的大变形能力和面外承载能力。     

基于拓扑优化的新型蜂窝结构设计

可变体飞行器若要实现机翼后掠角、面积和前后缘弯度等参数的大幅度变化,机翼蒙皮需要具有光滑的气动外形、大变形、高承载以及驱动力小的特点。针对柔性蒙皮的需求,本文利用拓扑优化方法设计了一种新型零泊松比蜂窝结构,通过有限元仿真与U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构进行对比,验证其变形和承载等性能。以最大应变2%为基准,比较了三种蜂窝结构的变形能力。结果表明,新型蜂窝结构的拉伸变形量高达75%,分别是U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构的1.7倍和2.1倍。在最大位移量相同时,所需驱动力分别是U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构的0.51倍和0.28倍,表明新型蜂窝结构具有很大的易变形能力。当蜂窝结构的橡胶蒙皮受到相同压强载荷且处于初始未拉伸状态/拉伸状态时,新型蜂窝结构橡胶蒙皮的最大法向位移量分别是U形蜂窝橡胶蒙皮和余弦形蜂窝橡胶蒙皮的0.4倍/0.56倍和0.29倍/0.42倍,表明新型蜂窝结构具有良好的面外承载能力。另外,通过适当增加壁厚,可以提高新型蜂窝结构本身的抗弯曲能力。分析结果表明,本文设计的新型蜂窝结构具备大变形、高承载以及驱动力小的优点。     

基于动网格技术的柔性后缘自适应机翼气动特性分析

研究了带柔性后缘的可变弯度自适应机翼在自适应变弯度过程中的气动特性.自适应变弯度过程中的气动力计算采用了基于弹簧理论的非结构动网格技术,求解NS方程时采用有限体积的二阶迎风格式离散,时间推进为隐格式双时间推进方法.通过计算柔性后缘机翼的升力特性、阻力特性及升阻比特性,并与带刚性后缘机翼的气动特性进行比较,发现柔性后缘机翼在后缘偏转时,其最大升阻比对应的迎角随着偏转角增大而降低.在中等迎角及接近失速迎角情况下,柔性后缘机翼升力系数明显优于刚性后缘机翼,并且其升力线变化较为平缓,有效迎角范围更大.     

刚柔混合变弯度机翼控制方法研究

为实现机翼在驱动控制下弦向连续弯度变化,提出了一种刚柔混合式变后缘机翼。其中,机翼柔顺段结构采用柔性气动肌腱作为驱动装置。首先,推导了气动肌腱驱动力模型;其次,将柔顺结构等效为单关节机械臂结构,建立了其动力学模型;继而建立了基于名义模型的滑模变结构PI控制模型,并对比例系数、积分系数及滑模面参数进行了整定。在此基础上,搭建了翼肋柔顺段变弯度控制试验平台及典型机翼盒段综合偏转控制平台。验证了柔顺段结构在弹性变形范围内达到目标弯度的能力,翼肋实际变形曲线与目标变形曲线误差仅为8%;同时,对控制方法及参数的动态性能进行了测试,其作动响应时间为5.5 s,超调量为0,稳态误差为6%,表明了控制系统的合理性和有效性。最后,对翼盒进行了目标角度的综合控制试验,测试了整体系统的变结构性能。     

基于遗传算法的机翼柔性蒙皮全参数优化设计

为解决变弯度机翼前缘柔性蒙皮结构设计问题,提出基于遗传算法的柔性蒙皮全参数优化方法。采用"刚度剪裁"设计理念,以大型远程飞机前缘为研究对象,通过优化变量缩减、设计区域规划和边界条件位移等效,对柔性蒙皮结构进行工程简化,在保证变形精度的同时达到降低模型复杂度的目的;基于遗传算法对蒙皮结构进行全参数同步优化,以获得混合优化变量的全局最优解。研究表明,该方法在兼顾优化效率和制造可实现的基础上,使前缘蒙皮变形的最小二乘误差(LSE)降低60%,最大偏移误差降低64%,可显著提高变形精度。     

零泊松比手风琴蜂窝等效模量

柔性蒙皮是变形机翼和风力机叶片的关键组成部分。一维变形的柔性蒙皮不仅要求其支撑结构具有良好的面内变形和面外承载能力,还需要具有零泊松比特性。手风琴蜂窝具有零泊松比特性,可用作一维变形柔性蒙皮支撑。为全面分析其面内外弹性变形特性,综合考虑结构的内力弯矩、轴力和剪力,通过卡氏第二定理对其x向等效弹性模量和x-y面内等效剪切模量进行了推导;利用最小余能原理和最小势能原理确定了x-z面内的等效剪切模量;此外还推导了其y和z向的等效弹性模量以及y-z面内的等效剪切模量;然后通过ANSYS有限元仿真对等效模量理论公式进行了验证;最后将本文理论模型与现有模型进行了比较。结果表明,理论公式和有限元仿真吻合较好,在结构设计时采用较大的斜梁高度系数h和斜梁间距系数g,较小的厚度系数t以及较大的竖直梁厚度系数η,有望获得具有较小面内刚度和较大面外刚度的手风琴蜂窝结构。该结果可用于手风琴蜂窝面内外等效模量的快速预测,为一维变形柔性蒙皮的结构设计提供相应的参考。此外,本文理论模型相比传统模型更为精确且具有更加广泛的应用范围。     

基于非均匀梁模型的二维柔性机翼固有振动分析

变体飞行器通过光滑连续的结构变形改变气动特性,从而提高飞行器的飞行性能,具有很大的应用前景.由于这类新概念飞行器主要通过改变自身结构形状以获得最佳工作性能的需求,因此具有变形大、质量轻等特点,较容易发生结构振动响应.本文研究了一种以柔性变后缘作为变体形式的二维柔性机翼等效建模方法,基于非均匀梁模型假设,建立了该柔性翼的动力学模型.通过利用Frobenius方法得到解析解及固有频率,并用有限元方法进行对比验证,发现前4阶固有频率的误差均在1%以内,每阶固有频率对应的振型一致.通过3D打印工程塑料ABS和硅胶蒙皮材料制备了柔性机翼结构件,并通过动态测量法和拉伸试验分别测定了打印材料和硅胶蒙皮材料的杨氏模量,搭建振动响应实验平台对制备的柔性机翼试验件进行振动试验.对比发现模型振动试验获得的基频与理论模型结果一致,并与有限元方法误差在3%以内.本文通过理论分析和实验验证,建立了二维柔性机翼等效建模方法,研究结果将为柔性变后缘结构动力学特性分析及其控制应用方面提供理论支持.     

二维翼型可变形方案初步研究

变形技术是未来航空航天领域的一项关键技术.国外对可变形问题的研究开始较早,而国内则刚刚起步,对于可变形气动问题的研究还很不系统,有关变形方案的研究工作还没有见到.本文主要针对变形方案做了初步研究,选取NACA0009和NACA0012翼型,分别在马赫数0.2、0.6和2.0情况下,通过改变其弯度、厚度计算气动力系数的变...     

低雷诺数翼型蒙皮主动振动气动特性及流场结构数值研究

针对低雷诺数(Re)翼型气动性能差的特点,文章通过对翼型柔性蒙皮施加主动振动的方法,提高翼型低Re下的气动特性,改善其流场结构.采用带预处理技术的Roe方法求解非定常可压缩Navier-Stokes方程,对NACA4415翼型低Re流动展开数值模拟.通过时均化和非定常方法对比柔性蒙皮固定和振动两种状态下的升阻力气动特性和层流分离流动结构.初步研究工作表明在低Re下柔性蒙皮采用合适的振幅和频率,时均化升阻力特性显著提高,分离泡结构由后缘层流分离泡转变为近似的经典长层流分离泡,分离点后移,分离区缩小.在此基础上,文章更加细致研究了柔性蒙皮两种状态下单周期内的层流分离结构及壁面压力系数分布非定常特性和演化规律.蒙皮固定状态下分离区前部流场结构和压力分布基本保持稳定,表现为近似定常分离,仅在后缘位置出现类似于卡门涡街的非定常流动现象.柔性蒙皮振动时从分离点附近开始便产生分离涡,并不断向下游移动、脱落,表现为非定常分离并出现大范围的压力脉动.蒙皮振动使流体更加靠近壁面运动,大尺度的层流分离现象得到有效抑制.      

翼型连续变形过程中非定常气动特性研究

可变形飞行器的优越性,使其成为近年来研究者关注的热点。当前对于可变形飞行器气动方面的研究工作主要集中于采用数值模拟或风洞实验,开展可变形飞行器气动布局概念和不同变形模态气动特性研究,而关于连续变形过程中非定常气动特性的研究则很少,几为空白。本文在无粘不可压(Ma=0.2)流场中,数值模拟了儒可夫斯基翼型连续改变厚度、弯度所引起的气动特性变化,分析了不同变形幅度、变形速度以及变形加速度对非定常升力系数的影响情况,这也为以后的三维数值模拟提供了基础。     

Wings of minimum drag for given lift

The variational problem of determining the optimal shape (camber and twist) of the midsurface of a wing having minimum wavedrag is examined in the linear formulation. It is shown that for wings with supersonic leading edge and straight trailing edge, whose shape is given in the form of a double polynomial, the over-all aerodynamic characteristics can be simply expressed in terms of the equation for the leading edge of the wing. This makes it possible not only to solve the variational problem by the Ritz method and obtain the minimum wave drag [1] but also to find the optimal shape of the wing. As examples we consider delta and double-delta wings.     

飞机机翼气动外形优化设计研究

本文首先对某飞机原机翼外形进行了详尽的气动分析计算,然后确定了设计思路和方案,探讨了后掠角变化对机翼气动性能的影响,研究选定了减小外翼后掠角的机翼新平面形状,采用先进的CFD软件优化机翼的气动设计,根据不同设计思想进行了多个机翼的外形优化,包括新的翼剖面和弯扭配置,最后将优化设计结果与原机翼进行了对比,对比结果表明,以Q5-M2T和Q5-N2T为代表的优化结果取得了十分理想的改进效果,优化机翼提高了气动性能,机翼升阻比提高了20%-30%,满足了飞机载弹量增大后性能仍可以全面提高的设计要求。     

高共面/异面抗冲击承载能力的新型蜂窝设计及吸能评估

针对传统蜂窝共面和异面承载能力差距太大的问题,提出了胞壁弓字形弯折蜂窝、层间组合蜂窝和折叠蜂窝等3种新型蜂窝,建立了新型蜂窝的有限元模型并分析了其变形模式和承载能力。结果表明,在相对密度一致的前提下,与传统正六边形蜂窝相比,这3种新构型蜂窝均缩小了共面和异面方向承载能力的差距。其中胞壁弓字形弯折蜂窝的共面/异面承载比提高了21.3倍;层间组合蜂窝两个共面方向承载能力悬殊,承载能力更强的共面方向与异面的承载比值提高了42倍;折叠蜂窝则提高了21.3倍。研究结果可以为抗多向冲击载荷作用下的蜂窝结构设计提供新思路和参考。     

基于雨燕翅膀的仿生三角翼气动特性计算研究

针对低雷诺数微型飞行器的气动布局,设计出类似雨燕翅膀的一组具有不同前缘钝度的中等后掠(Λ=50?)仿生三角翼.为了定量对比研究三角翼后缘收缩产生的气动效应,设计了一组具有同等后掠的普通三角翼.为了深入研究仿生三角翼布局的前缘涡演化特性以及总体气动特性,采用数值模拟方法详细地探索了低雷诺数(Re=1.58×104)流动条...     

Aerodynamic and functional consequences of wing compliance

A growing body of evidence indicates that a majority of insects experience some degree of wing deformation during flight. With no musculature distal to the wing base, the instantaneous shape of an insect wing is dictated by the interaction of aerodynamic forces with the inertial and elastic forces that arise from periodic accelerations of the wing. Passive wing deformation is an unavoidable feature of flapping flight for many insects due to the inertial loads that accompany rapid stroke reversals—loads that well exceed the mean aerodynamic force. Although wing compliance has been implicated in a few lift-enhancing mechanisms (e.g., favorable camber), the direct aerodynamic consequences of wing deformation remain generally unresolved. In this paper, we present new experimental data on how wing compliance may affect the overall induced flow in the hawkmoth, Manduca sexta. Real moth wings were subjected to robotic actuation in their dominant plane of rotation at a natural wing beat frequency of 25 Hz. We used digital particle image velocimetry at exceptionally high temporal resolution (2,100 fps) to assess the influence of wing compliance on the mean advective flows, relying on a natural variation in wing stiffness to alter the amount of emergent deformation (freshly extracted wings are flexible and exhibit greater compliance than those that are desiccated). We find that flexible wings yield mean advective flows with substantially greater magnitudes and orientations more beneficial to lift than those of stiff wings. Our results confirm that wing compliance plays a critical role in the production of flight forces. Electronic supplementary material  The online version of this article (doi:) contains supplementary material, which is available to authorized users.