基于CFD-CSD的機(jī)翼氣動(dòng)彈性計(jì)算研究.pdf

1、機(jī)翼氣動(dòng)彈性設(shè)計(jì)是飛行器研制和改型的關(guān)鍵內(nèi)容?？缫羲賲^(qū)存在顫振邊界的“跨音速凹坑”，是氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性問(wèn)題最為嚴(yán)重的區(qū)域。大變形改變了線性結(jié)構(gòu)特性，是引起機(jī)翼極限環(huán)振蕩(LCO)的重要因素?？缫羲?、大變形等非線性使得相應(yīng)的計(jì)算分析和物理機(jī)理趨于復(fù)雜，由此展開(kāi)的非線性氣動(dòng)彈性計(jì)算研究成為當(dāng)前的理論熱點(diǎn)和分析難點(diǎn)。提高跨音速氣動(dòng)力分析效率以滿足工程設(shè)計(jì)需求，也是氣動(dòng)彈性領(lǐng)域的前沿課題。
　　 本論文緊扣上述研究進(jìn)展，在高精度氣動(dòng)彈性計(jì)

2、算和耦合界面插值方法、氣動(dòng)力降階模型及高效顫振分析、典型機(jī)翼的氣動(dòng)彈性特性研究等方面開(kāi)展了一些探索和應(yīng)用性工作。
　　 發(fā)展了一種基于計(jì)算流體力學(xué)，計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)(CFD/CSD)的非線性氣動(dòng)彈性分析方法，并用于涉及大變形結(jié)構(gòu)的跨音速LCO計(jì)算研究。1)建立了厚薄通用的四邊形板單元和高性能的四邊形膜單元，二者組合構(gòu)成線性平板殼元分析；應(yīng)用更新的拉格朗日(UL)格式，推導(dǎo)了適用于大變形、大轉(zhuǎn)動(dòng)、小應(yīng)變的平板殼元幾何非線性列式，并采

3、用Newmark時(shí)間積分方法實(shí)現(xiàn)非線性動(dòng)力分析。2)發(fā)展了一種新型的局部形式界面插值方法，利用薄板樣條插值位移，相應(yīng)函數(shù)的定義域選取局部形式。給出定義域的高效設(shè)置過(guò)程并由能量守恒原則推導(dǎo)出氣動(dòng)力的插值矩陣。3)以Euler方程作為流動(dòng)控制方程，采用格心式有限體積法和雙時(shí)間步長(zhǎng)推進(jìn)格式分別進(jìn)行流場(chǎng)的空間和時(shí)間離散，且按照分區(qū)并行方式加速CFD計(jì)算。結(jié)構(gòu)分析和界面插值模塊以子程序形式和CFD求解器進(jìn)行聯(lián)接，進(jìn)而形成完整的流固耦合分析能力。機(jī)

4、翼的跨音速顫振計(jì)算表明了所建CFD/CSD方法的有效性。應(yīng)用該方法研究了切尖三角翼的大幅LCO現(xiàn)象，其計(jì)算精度明顯優(yōu)于已有結(jié)果。
　　 實(shí)現(xiàn)了基于CFD技術(shù)的非定常氣動(dòng)力ARMA降階模型(ROM)，并開(kāi)展跨音速顫振問(wèn)題的高效計(jì)算研究。針對(duì)“3211”型多步訓(xùn)練輸入，借鑒CFD/CSD方法完成關(guān)鍵的ROM訓(xùn)練過(guò)程?；贛ATLAB系統(tǒng)辨識(shí)工具箱進(jìn)行ARMA模型的參數(shù)估計(jì)和模型驗(yàn)證，并耦合結(jié)構(gòu)模態(tài)疊加法構(gòu)成顫振和伺服顫振分析。標(biāo)準(zhǔn)翼

5、型和機(jī)翼的跨音速顫振計(jì)算體現(xiàn)了ARMA/ROM技術(shù)的精度和效率。應(yīng)用該方法進(jìn)行BACT二元翼段的伺服顫振分析，適當(dāng)?shù)亩婷嬷鲃?dòng)偏轉(zhuǎn)有效提高了跨音速顫振速度。
　　 基于通用流固耦合分析程序，對(duì)新型運(yùn)輸機(jī)機(jī)翼和切尖三角翼模型的跨音速顫振和LCO特性進(jìn)行了計(jì)算研究。運(yùn)輸機(jī)基本機(jī)翼的顫振結(jié)果接近于試驗(yàn)值，相應(yīng)LCO現(xiàn)象是由大幅激波運(yùn)動(dòng)所引起的。翼梢小翼和C型翼梢對(duì)基本機(jī)翼的顫振特性產(chǎn)生了明顯不利影響。分析中還采用虛擬質(zhì)量方法分離了翼梢裝