大展弦比复合材料机翼的非线性颤振分析

大展弦比机翼在气动力作用下产生较大变形,颤振速度和颤振频率随之发生明显变化,线性理论难以获得比较合理的解答。综合考虑了结构几何非线性、气动非线性和材料各向异性对机翼运动状态的影响,将复合材料机翼建模为非线性薄壁单闭室截面梁,建立机翼的运动方程,并使用小扰动分析的方法得到机翼在平衡位置附近的振动方程。采用Theodorsen非定常气动理论构建气动模型,获得机翼在平衡位置附近的非线性颤振方程,并利用v-g法判定机翼颤振稳定性。通过算例演示了一些非线性颤振的特点,讨论了铺层角、展弦比、机翼线密度等参数对颤振速度的影响,并与线性理论得到的结果进行对比。     

考虑机翼几何非线性的气动弹性建模与分析

大展弦比柔性机翼结构重量轻、气动效率高,广泛应用于高空长航时无人机(UAVs)。飞行过程中,这类机翼在气动力作用下发生大变形,线性结构模型不再适用,需要建立考虑几何大变形的结构模型。采用牛顿力学方法推导了考虑结构几何非线性的机翼结构动力学模型,该方法推导过程简洁、物理意义明确,可以与Hodges基于哈密顿原理的推导方法相互补充,相互验证。为了能够更准确地求解大展弦比柔性机翼的非定常气动力,建立了能够考虑机翼三维效应且适用于机翼空间大变形的非定常气动力模型。基于建立的非线性结构模型和非定常气动力模型,采用松耦合方法建立了非线性气动弹性模型,并通过算例验证了气弹模型的准确性。研究结果表明,大展弦比柔性机翼颤振速度对来流迎角和机翼的展长均较为敏感;当来流速度大于颤振速度时,由于几何非线性,机翼振动并未发散而是形成稳定的极限环振荡(LCO);随着来流速度进一步增加,机翼再次穿过临界稳定点,由不稳定系统变为稳定系统,直到随着速度的增加系统再次达到临界稳定状态。     

大展弦比复合材料机翼失速颤振分析

研究了大展弦比复合材料机翼在较大迎角状态下的失速颤振特性,探讨了结构几何非线性和由复合材料剪裁产生的刚度耦合效果对机翼失速颤振特性的影响.首先,将复合材料机翼建模为转角和位移均可为有限值的非线性薄壁单闭室截面Euler梁,并在综合考虑结构几何非线性、气动非线性和材料各向异性对机翼运动状态的影响的基础上,建立机翼的运动微分方程.然后,使用小扰动分析的方法得到机翼在平衡位置附近的振动方程,采用ONERA半经验的非定常失速气动力模型,获得机翼在平衡位置附近的非线性失速颤振分析方程.最后,利用谐波平衡法求解并判定机翼颤振稳定性.通过算例,首先验证了算法的正确性,然后研究了几何非线性对失速颤振的影响,并讨论不同的复合材料铺层方式导致机翼失速特性的改变.     

带有气动及结构非线性的二元机翼颤振分析

研究了翼型在低马赫数条件下的非定常气动特性,从翼型表面气流运动的角度对Leishman-Beddoes(L-B)模型进行了修正,并在此基础上建立了适合低马赫数颤振研究且带有气动及结构非线性的二元机翼气弹系统分析模型.对比低马赫数翼型气动载荷试验结果表明对L-B模型的修正是有效的,且机翼颤振试验结果亦验证了二元机翼气弹分析模型.研究结果表明:二元机翼气弹系统的失速颤振与初始变距角和来流速度密切相关,且耦合的三次非线性变距和浮沉刚度是造成系统呈现准周期运动的主要原因.      

大展弦比大柔性机翼载荷分布求解的一种方法

大展弦比大柔性机翼在气动力作用下产生较大的弯曲和扭转变形,会引起明显的气动载荷重新分布。基于一种只具有2个广义转角自由度的梁单元模型,提出了一种大展弦比大柔性机翼载荷重新分布的新方法。该方法将大柔性机翼弯曲变形的几何非线性问题转化为线性问题,同时,基于弯曲变形结果,可在局部坐标系下进行机翼扭转变形求解,避免了整体坐标系下扭转变形的几何非线性问题。综合来看,该方法可将具有明显几何非线性效应的大展弦比大柔性机翼的载荷重新分布问题转化为线性问题,且计算量小,效率高,非常适合工程实用。通过与大柔性悬臂梁解析解的对比,验证了本文方法的正确性和有效性。     

基于CR理论的大柔性机翼几何非线性结构建模

大柔性机翼在气动载荷的作用下,将产生显著的弹性变形,常规线弹性理论的小变形假设不再成立,需要采用能够考虑几何非线性效应的结构模型进行求解。基于CR(Co-Rotational)共旋转有限元理论,把几何非线性大变形分解为刚体的旋转和平移及局部坐标系下的弹性变形,建立了适用于大柔性机翼几何非线性变形描述的结构模型。以大柔性悬臂梁为例,采用载荷增量法,研究了集中弯矩作用下的非线性变形特征,对静力学方法进行了验证,并讨论了耦合加载几何非线性变形特征;以类"太阳神"太阳能布局无人机(UAV)为例,研究了其几何非线性大变形特性。     

柔性机翼阵风响应与被动减缓研究

高空长航时无人机的机翼展弦比大、柔性较强,飞行过程中极易受到阵风的影响。文章以几何精确本征理论建立结构模型,耦合 Pitt-Peters动力入流理论建立柔性机翼非线性气弹模型,研究了柔性机翼阵风响应以及翼尖被动阵风减缓效应。采用空间 -时间平行的有限元离散方法,将气弹方程转化为一阶微分代数方程,Newton-Raphson和 Generalized-α算法分别用于静态变形和动态响应的求解,通过算例研究了离散阵风载荷下柔性机翼的阵风响应,结果表明翼尖被动阵风减缓装置对机翼变形有明显的减缓效果。     

Z型翼变体飞机的纵向多体动力学特性

机翼变形时,变体飞机的翼面积、惯性特性、全机焦点和重心位置等均会发生较大的变化,从而引起飞机的动态特性也随之改变。为此对机翼变形过程中的Z型翼变体飞机进行了纵向多体动力学建模仿真;推导了变形过程中变体飞机的六自由度非线性动力学方程,并通过简化得到了解耦后的纵向动力学方程。机翼折叠动态过程的气动特性数值模拟结果表明,不同折叠角速度下飞机的气动力相差不大。在机翼折叠角速度较小且忽略非定常气动效应的情况下,采用气动力准定常假设对变形过程中不同机翼折叠角速度下变体飞机的纵向响应进行了数值仿真,并研究了重心位置移动和气动特性变化对飞机变形过程动态特性的影响规律。结果表明,折叠过程中气动特性的变化是影响飞机动态特性的主要因素,机翼折叠后飞机的速度和迎角增加,且飞行高度下降较大。     

不同后掠角大展弦比复合材料机翼气动特性

为了研究不同后掠角复合材料机翼的气动特性,建立了载荷模型;采用 K方法通过 Theodorsen函数推导得到了机翼颤振速度的计算公式,分析了 0°、5°、10°、15°、20°、25°和 30°共 7种不同后掠角机翼的模态,得到了模态频率和模态振型;仿真计算得到了机翼的颤振速度和发生颤振时翼尖的最大垂直位移。结果显示:机翼后掠角为 15°时,其颤振速度和翼尖最大垂直位移均在安全范围内,因此,后掠角 15°,展弦比为 26的机翼为飞行器机翼设计最优值。     

大攻角机翼非线性颤振分析方法

 本文提出了一种计算方法分析大攻角、带分离涡机翼的非线性颤振特性。在机翼变形与广义气动力之间建立一种描述函数关系,利用传统v-g法对机翼运动方程进行求解。此外,还发展了一种迭代运算过程,使得输入的振幅幅值比例调整到与求解颤振方程所得到的比例相协调。计算结果表明本文方法与实验是一致的。     

大后掠翼前缘涡对其颤振特性的影响

大迎角三角翼的前缘涡不仅可以改善其气动力特性,也会显著影响机翼的气动弹性特性。运用基于Euler方程的非定常气动力降阶模型（ROM）方法,耦合结构运动方程,在状态空间内建立了气动弹性分析模型,研究了70°削尖三角翼的大迎角颤振特性。研究结果显示前缘涡对该机翼颤振特性的影响不可忽略。颤振速度随迎角的增加而大幅降低,迎角α=20°时的颤振速度比α=0°时降低了22％。发现了颤振特性随迎角变化时出现的不连续现象,并揭示了该现象是由于系统颤振分支随着静态迎角的增加发生转移所致。     

压气机风扇叶片颤振预测和抑制的工程研究

通过能量法对某压气机风扇试验件叶片原型方案进行气弹稳定性预测,计算出该方案的颤振边界点.对其中气弹不稳定叶片的几何造型进行修改以提高气弹稳定性.通过原型和改型方案的叶片几何造型、气动性能、振动特性以及气弹稳定性的对比,从气动角度分析了压气机风扇叶片颤振的机理.获得了工程上抑制压气机风扇叶片颤振的有效手段,如增大叶片弦长、降低展弦比,增大叶片厚度、增强叶片刚性,减小攻角、改善流动状况.      

大后掠翼前缘涡对其颤振特性的影响

大迎角三角翼的前缘涡不仅可以改善其气动力特性,也会显著影响机翼的气动弹性特性.运用基于Euler方程的非定常气动力降阶模型(ROM)方法,耦合结构运动方程,在状态空间内建立了气动弹性分析模型,研究了70°削尖三角翼的大迎角颤振特性.研究结果显示前缘涡对该机翼颤振特性的影响不可忽略.颤振速度随迎角的增加而大幅降低,迎角α=20°时的颤振速度比α=0°时降低了22%.发现了颤振特性随迎角变化时出现的不连续现象,并揭示了该现象是由于系统颤振分支随着静态迎角的增加发生转移所致.     

大展弦比复合材料机翼结构建模与气动弹性分析

建立了具有任意截面形状的大展弦比复合材料翼的结构模型。研究了机翼的两种铺设方式：即周向均匀刚度配置（CUS）和周向反对称刚度配置（CAS）。对于复合箱梁情形,目前的结构建模方法正确性通过ANSYS有限单元软件得到了验证。为了研究具有NACA0012翼型的大展弦比复合材料机翼的气动弹性问题,利用线性ONERA空气动力模型来描述小攻角情形下的非定常空气动力载荷。最后,利用U—g法预示了机翼在各种复合层铺设角度下的颤振速度。     

Nonlinear aeroelastic analysis of the folding fin with freeplay under thermal environment

The nonlinear aeroelastic behavior of a folding fin in supersonic flow is investigated in this paper. The finite element model of the fin is established and the deployable hinges are represented by three torsion springs with the freeplay nonlinearity. The aerodynamic grid point is assumed to be at the center of each aerodynamic box for simplicity. The aerodynamic governing equation is given by using the infinite plate spline method and the modified linear piston theory. An improved fixed-interface modal synthesis method, which can reduce the rigid connections at the interface, is developed to save the problem size and computation time. The uniform temperature field is applied to create the thermal environment. For the linear flutter analyses, the flutter speed increases first and then decreases with the rise of the hinge stiffness due to the change of the flutter coupling mechanism. For the nonlinear analyses, a larger freeplay angle results in a higher vibration divergent speed. Two different types of limit cycle oscillations and a multiperiodic motion are observed in the wide range of airspeed under the linear flutter boundary. The linear flutter speed shows a slight descend in the thermal environment, but the effect of the temperature on the vibration divergent speed is different under different hinge stiffnesses when there exists freeplay.     

翼梢装置对某机翼气动弹性行为影响研究

以大客某方案机翼为基本翼,通过数值模拟的方法研究了翼梢装置对机翼气动弹性特性影响,包括静气动弹性及颤振特性。其中通过CFD/CSD弱耦合求解的方法研究其静气动弹性响应,气动力计算采用面元法,结构响应计算采用结构有限元法,通过插值实现翼面气动力与有限元节点力之间的传递,以及有限元模型与气动网格之间的变形传递。对基本翼及带翼梢装置机翼静力学有限元模型局部修改得到动力学模型,应用MSC NASTRAN进行颤振特性分析。研究发现翼梢装置使得机翼的气动弹性特性不同程度均有降低,而不同翼梢装置对其影响又有所不同,可见,翼梢装置的设计在追求气动特性改善的同时必须关注其带来的结构特性的损失。