在国家重点研发计划"数值飞行器原型系统开发"(2016YFB0200700)的支持下,超大规模气动弹性数值模拟软件的开发工作已经正式进入实施阶段。本文简要介绍了软件的研制进展情况,主要包括超大规模结构网格生成技术、基于超大规模结构网格的动网格技术、超大规模气动弹性数值模拟软件的确认以及下一步研究工作计划等方面。实现了百亿量级高质量静态结构网格生成及数值模拟,十亿量级结构网格的高质量自动变形;开展了超大规模气动弹性数值模拟软件静态结构网格生成、结构网格自动变形、气动/结构数据传递等主要功能模块的并行效率与并行一致性测试工作;结合CRM机翼/机身/平尾构型和AGARD445.6机翼两个典型三维静气动弹性问题和颤振问题,通过与相应试验结果的对比,开展了千万量级网格规模气动弹性数值模拟软件的确认工作。

针对大展弦比机翼,根据巡航飞行状态气动载荷,采用拓扑优化方法进行结构优化及减重设计。机翼气动载荷由CFD/CSD耦合数值计算方法获得,载荷分布考虑了气动弹性变形下载荷大小和分布形式的变化。拓扑优化采用密度法,以结构减重指标为约束,以整体柔度最小为目标,采用商用软件开展分析。采用选择性激光烧结工艺并使用尼龙材料进行3D打印拓扑优化结构,验证了优化后结构的可加工性。

建立一种旋翼前飞状态下的旋翼气动弹性分析模型,模型中采用松耦合方法集成高精度计算流体力学(CFD)气动模型。采用Green应变以及几何精确的弹性运动及变形的几何关系式;并通过Hamilton建立旋翼动力学方程。采用基于N-S控制方程的CFD气动模型,采用滑移网格技术实现桨叶运动。通过计算SA349/2直升机前飞状态下的挥舞、摆振振动载荷,对比试验数据,验证建立的气动弹性分析模型。结果表明,集成CFD的气弹模型能有效提高振动载荷预估精度,对于高阶谐波载荷的计算有很大的提高。

针对现有的非定常气动力建模方法对气动弹性预测的准确性和效率问题,将随机森林算法引入非定常气动力建模研究领域,构建了基于随机森林算法的非定常气动力降阶模型。将所得模型用于预测气动弹性,选择二维NACA0012翼型进行颤振边界的预测,选用NACA64A010翼型预测LCO特性,并说明了该降阶模型建模的详细过程,将其计算结果与CFD/CSD耦合计算结果及试验结果进行了对比。研究结果表明,该模型可行、高效且精确,可以快速准确地预测飞行器气动弹性特性。

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。

气动弹性作为大型飞机的弹性变形因素,对飞机飞行过程中的结构存在较大影响。空气动力作用下飞机会产生相应弹性形变,这之后弹性形变又会影响周围的空气动力,飞机周围空气动力又会继续影响飞机的弹性形变。针对这种大型飞机飞行中的气动弹性,本文主要从飞机设计方面,进行飞机翼面刚度、结构动力学、跨声速振颤、气动伺服等技术研究,以保证大型飞机在稳定飞行的同时,减少飞机的气动弹性干扰与安全隐患。

阵风响应计算及阵风减缓控制系统设计是飞行器气动弹性分析中的重要内容。基于状态空间涡格法(VLM)建立飞行器阵风气动力模型,给出有限元结构模态及控制面模态广义自由度与涡格法控制点边界条件的插值关系,建立适用于复杂模型的阵风响应分析方法,弥补了传统阵风响应分析方法需要进行有理函数拟合或迭代计算资源消耗大等不足。在此基础上,基于经典PID控制方法设计阵风减缓控制系统,仿真得到离散阵风及von Karman连续阵风激励下的系统开/闭环时域响应情况,对比响应幅值计算减缓率。仿真计算结果表明根据所提方法建立的阵风响应分析方法准确,阵风减缓控制系统能有效降低原气动弹性系统的阵风响应。

针对某双体飞机颤振特性复杂的问题,本文采用片条理论修正后的偶极子网格方法,建立了双体飞机非定常气动力模型,同时基于地面振动试验建立了不同机身刚度双体飞机等效梁模型。通过有限元方法,分析了机身刚度对双体飞机结构动力学的影响,同时通过求解耦合得到的频域方程,探究了机身刚度对双体飞机颤振的影响规律。研究结果表明,机身截面垂向刚度对机身一阶垂直对称弯曲模态、机身一阶垂直反对称弯曲模态与平尾滚转模态频率影响较大。机身截面垂向刚度降低到原设计刚度67%时,机身反对称弯曲模态对平尾扭转效应增强,机身一阶垂直反对称弯曲模态、平尾滚转模态与平尾一阶垂直反对称弯曲模态耦合,双体飞机在269.34 m/s时发生颤振,颤振频率为37.2 Hz。

机翼变弯度技术作为变形技术的方式之一,备受关注。本文从国内外变形机翼技术的相关项目出发,着眼于机翼变弯度技术的气动弹性模拟与分析手段,从静气动弹性、颤振、动气动弹性响应及减缓、优化与控制等方面进行分析,重点从结构模型、气动模型、耦合方法、优化方法及控制策略角度对不同的研究手段进行评价,分析当前面临的技术难点,指出有待进一步解决的问题,包括柔性蒙皮的非线性行为对变弯度机翼气动弹性的影响,驱动系统类型对变弯度机翼气动弹性的影响以及缺乏能够同时处理不同类型非线性的综合气动弹性建模方法等,可为机翼变弯度技术的进一步提升提供指导。

机翼颤振模型是一种观测气动弹性颤振现象的实验装置。利用风洞、振动采集系统等仪器设备,在人为控制风速、振动扰动等条件下,引起模型的气动弹性动力失稳,进入自激振动(颤振)状态。通过观察、测定和分析响应信号,帮助学生理解颤振发生的力学机制,获得气动弹性的相关知识,并发展防颤振设计的能力。本文基于气动弹性力学设计、结构弯扭刚度解耦技术、3D打印等创新手段,开展颤振风洞试验模型的自主设计与研发,应用该模型开展气动弹性教学,获得了实践教学数据。目前机翼颤振教学实验与飞行器结构力学、气动弹性概论等课程一起,共同组成了飞行器设计与工程(飞设)专业核心课程体系,是工科飞设专业的重要教学实践环节。