科创中国

行业领域

高端装备制造产业,航空装备产业

需求背景

随着现代科技进步,航空航天飞行器发展中涉及的气动弹性问题越来越复杂。随着飞行速度的提高,一系列飞行安全问题开始显现,其中最危险的就是机翼气动弹性响应问题,稍有不慎就会造成机毁人亡。目前,对机翼颤振问题的研究在结构模型中大多数采用二维机翼剖面,气动力模型也以线性气动力居多。随着对飞行要求的逐步提高,现有的研究还不能解决复杂的颤振问题。因此,对非线性气动力模型和三维机翼复杂结构的颤振问题进行研究显得尤为重要。本文主要做了以下研究工作:(1)建立了带有控制面偏转的三自由度二维机翼剖面的结构模型,并在已有的二自由度Onera气动力模型中加入控制面偏转的力矩方程,与三自由度机翼结构方程相匹配。然后采用Theodorsen非定常气动力模型与Onera失速气动力模型,与结构方程联立,分别推导了系统的运动方程。(2)采用V-g法在频域范围内求解机翼的临界颤振速度和颤振频率,针对单位展长机翼质量、大气密度、半弦长、控制面转轴位置等影响因素进行颤振特性分析,并将两种气动力模型的计算结果进行对比分析。(3)在时域范围内利用Runge-Kutta法求解两种气动力模型下的微分方程,进行线性与非线性系统的气动弹性响应分析。(4)将二维机翼扩展至三维直机翼,通过“积分”的思想建立带有控制面的三维机翼结构模型,利用Theodorsen的气动力模型,推导了系统的运动方程。分析了三维机翼具体的参数对颤振特性的影响。最后对系统的响应进行分析,并与二维机翼结果进行对比。仿真计算分析表明:Onera气动力模型在添加控制面偏转自由度后的计算结果可以得到准确验证。二维机翼的半弦长、控制面轴心位置等因素与三维机翼的展弦比、控制面的长度及位置等因素均对颤振特性有显著影响;并且不同的初值条件对颤振临界速度也会有不同程度的影响。 

需解决的主要技术难题

以大展弦比机翼为研究对象,对其非线性气动弹性响应问题进行了较为深入的研究。引入Peters有限状态理论和动态入流理论,替换经典ONERA模型中的线性气动力模型。对ONERA模型的非线性气动方程进行改良,使其在大迎角下具有更好的稳定性。通过广义坐标引入翼型中弧线变形函数,加入副翼的影响,得到了适用于变形翼型的二维动态失速气动力模型,并通过算例对气动模型进行了验证。

结构模型采用Tang和Dowell的试验模型,使用Hamilton原理推导了带翼尖体机翼的二阶非线性微分方程。将此方程与修改后的ONERA动态失速模型结合建立了大展弦比机翼的气动弹性方程,并通过伽辽金法对气动弹性方程降阶得到模态方程。

分别采用小扰动分析法和时间积分法,对非线性模态方程进行求解,得到机翼的非线性颤振边界以及响应曲线,确定极限环的发生速度范围与幅值特性,计算结果与试验结果吻合得很好。最后探究了副翼偏转角对机翼颤振速度的影响,发现其对机翼颤振速度影响有限,并分析了原因。

期望实现的主要技术目标

（1）进行机翼曲面气动力建模方法研究及结构有限元建模方法研究，

（2）基于频域方法进行非线性颤振分析方法研究，

（3）完成典型算例模型的非线性颤振计算工作

需求解析

解析单位：“科创中国”航空制造产业科技服务团（中国航空学会） 解析时间：2023-11-07

杨亮

中国航空学会

高级工程师

综合评价

气动力模型作为飞机动力学模型的核心，其仿真计算结果的准确性对飞机的响应特性具有决定性作用，直接影响控制率设计、飞行品质评估等工作的完成效果。尤其对民用飞机而言，精细化设计给气动力建模精度提出了更高要求。在工程应用中，从早起的工程估算、CFD计算，到中期的多次风洞试验，再到后期的试飞数据辨识，气动力数据从形式到内容一直在更新。针对大展弦比大变形的飞行器，气动弹性颤振是后续工作的基础和关键，本技术要求的最低线为可计算给定工况下的气动弹性颤振速度，典型模型与已有试验数据相比误差不超过10% 。

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