本文基于经典梁理论(CBT),研究了在高超音速作用下,活塞气动力理论的非线性效应对纤维增强功能梯度材料(FGM)的颤振特性的影响。首先通过混合率模型来表征纤维增强FGM梁的材料属性,然后通过Hamilton原理推导出只考虑横向振动的纤维增强FGM梁的非线性气动弹性偏微分方程,利用Galerkin方法,把该方程转化为非线性常微分方程,再利用Hurwitz行列式,把该方程的求根问题用以判定Hopf分叉,得到不同温度应力下梁的无量纲临界流速和无量纲临界频率。最后通过Runge-Kutta法得到纤维体积分数和无量纲温升对无量纲临界动压的影响。

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。结果

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-ωRANS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。

国内现阶段飞行器阵风响应CFD模拟通常采用网格速度法(FVM),而近年提出的更为准确的速度分裂法(SVM)目前主要针对刚性飞行器阵风响应分析。本文将SVM拓展至弹性翼型的One-Minus-Cosine阵风响应计算和减缓研究。基于动态网格系统非定常Navier-Stokes方程,将阵风条件下的速度场分解为阵风速度与背景速度的叠加,理论推导出SVM阵风模拟控制方程,结果表明,FVM是SVM忽略源项后的一种近似方法。进一步建立起弹性翼型阵风响应预测的CFD/CSD时域耦合算法和基于俯仰控制的阵风响应减缓数值模拟方法。算例分析了NACA0012刚性及弹性翼型的One-Minus-Cosine阵风响应,计算结果与文献数据一致,在此基础上分析了阵风尺度、黏性和结构弹性对阵风响应的影响。开展了NACA64A010弹性翼型One-Minus-Cosine阵风减缓模拟,结果表明单一的沉浮速度控制输入量更有利于减缓阵风载荷峰值,而沉浮

针对研制初期,飞机结构设计参数存在严重不确定性,颤振设计工作难以快速有效推进的问题,开展了方案设计阶段飞机颤振快速分析方法研究。采用虚拟质量法,通过在原结构一定位置施加虚拟质量,建立可覆盖局部结构参数变化的统一模态振型,然后将此虚拟质量从质量矩阵中移除,以防止影响原结构的动力学特性,并采用虚拟质量模态振型对不同参数下的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵以及气动力矩阵进行广义化,建立虚拟质量模态空间下的颤振方程,并采用g法求解,得到不同参数下的飞机颤振速度。建立了一种飞机颤振快速分析方法,在面对大量参数开展敏感性研究分析时,能有效减少模态分析次数,提高飞机方案设计阶段分析效率。通过算例对比分析可知,该方法计算精度与传统方法基本一致,满足工程需求。

风洞全模试验是验证飞行器气动性能的重要试验。悬臂支杆作为该类型试验中最普遍采用的支撑方式,具有结构简单、安装方便、支撑干扰低等优点,但也存在支撑刚度低、结构阻尼小等特征,导致易出现模型支撑系统的振动。在大型风洞和低温风洞中此现象发生得尤为频繁,甚至中断吹风过程。针对该问题,首先对风洞全模测力试验振动问题的历史发展及传统振动抑制方法进行回顾,接着对风洞全模测力试验的振动问题进行分析,然后介绍了国内外的基于压电的各类抑振原理及抑振结构型式,并对主动抑振算法的研究进行了综述,最后总结了抑振系统对气动系数的影响,并讨论了攻角扩展的相关结果。