为了减轻重量和提高升阻比,现代飞行器结构普遍采用大展弦比布局,并且轻质复合材料在飞行器结构中的使用占比也越来越高。为了研究复合材料铺层角度对大展弦比机翼纵向气动特性及非线性气动弹性的影响,首先以机翼结构的弹性变形为优化目标,以结构强度为约束条件,采用Screening方法对大展弦比复合材料机翼蒙皮的铺层角度进行优化,优化后机翼的刚度明显增强。然后基于松耦合的双向流固耦合数值计算方法,对大展弦比机翼非线性气动弹性及流场进行优化前后的数值模拟,分析了复合材料铺层角度对大展弦比机翼非线性气动弹性变形及纵向气动特性的影响。

为了研究铺层区域变量对大展弦比机翼静气动弹性的影响,本文在考虑几何非线性影响下,依据有限元分析,研究了外翼段铺层区域的划分以及90°铺层角度的个数对大展弦比机翼静气动弹性特性的影响。结果表明,0°、±45°、90°混合铺层的铺设效果优于只有0°、±45°铺层的区域;机翼变形情况随着外翼段铺层区域的增大而减小,且减小斜率逐步增大;外翼段铺层区域固定时,增加90°铺层角度个数会有效减小机翼变形,且机翼变形情况与增加的个数基本呈现负相关关系,其个数在铺层设计中可能存在一个最佳取值或最优占比。

针对大展弦比复合材料机翼的非线性静气动弹性问题,采用CFD/CSD双向松流固耦合的计算方法,对相同厚度的复合材料机翼和铝合金机翼的非线性静气动弹性特性进行了研究。以Navier-Stokes(N-S)方程为控制方程,对气动载荷进行了求解,耦合求解了非线性结构运动方程;对不同攻角下复合材料机翼的结构特性、纵向气动特性及稳定性进行了研究,并将结果与等厚度的铝合金材料机翼进行了比较。研究结果表明:与铝合金机翼相比,复合材料机翼减重达到25.95%;在升力方向的弹性变形上,复合材料机翼比铝合金机翼增大约29.6%;复合材料机翼的刚度相比铝合金有所降低。

针对双螺杆压缩机工作过程中存在的转子的结构特性问题,对螺杆转子的应力、变形耦合模拟方法,不同排气压力、不同转速对转子应力、变形的影响进行了研究。基于有限体积法求解了压缩机工作过程中产生的压力场,通过数值插值技术将得到的气动载荷作为外载荷加载在转子的结构网格上,建立了转子的真实受力模型,进一步求解了转子结构的静平衡方程,得到了转子的位移场和应力分布,并利用“L型大直径掩埋管道”对该研究方法进行了验证。研究结果表明:压缩机工作过程中产生的压力场对螺杆转子的最大变形和最大应力有较大的影响;且当转速/排气压力一定时,选择合适的排气压力/转速可以有效降低转子的最大变形和最大应力;该结果可为压缩机的结构设计、优化提供一定的理论参考。

为研究材料性能对双螺杆压缩机转子结构特性的影响,以LGY03型线为啮合型线的转子为研究对象,基于Realizable k-ε湍流模型,采用CFD/CSD(Computational Fluid Dynamics/Computational Structural Dynamics)耦合求解方法,对压缩机流场达到热平衡时的转子结构特性进行了研究。通过数值模拟分析,得到了40Cr、QT900-2、0Cr18Ni9等转子材料在排气压力为0.6 MPa下的热变形和热应力。研究结果表明转子的热应力、热变形主要与材料的热膨胀系数和弹性模量相关,泊松比对转子变形的影响较小,最后数值拟合得到了阴阳转子最大应变与热膨胀系数及弹性模量的公式,可为转子结构设计提供一定的理论依据。