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基于CFD/CSD的机翼气动弹性计算研究

作　者: 崔鹏
导　师: 韩景龙
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 固体力学
关键词: 气动弹性颤振 CFD/CSD 跨音速结构非线性降阶模型翼梢装置
分类号: V224
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

机翼气动弹性设计是飞行器研制和改型的关键内容。跨音速区存在颤振边界的“跨音速凹坑”，是气动弹性稳定性问题最为严重的区域。大变形改变了线性结构特性，是引起机翼极限环振荡（LCO）的重要因素。跨音速、大变形等非线性使得相应的计算分析和物理机理趋于复杂，由此展开的非线性气动弹性计算研究成为当前的理论热点和分析难点。提高跨音速气动力分析效率以满足工程设计需求，也是气动弹性领域的前沿课题。本论文紧扣上述研究进展，在高精度气动弹性计算和耦合界面插值方法、气动力降阶模型及高效颤振分析、典型机翼的气动弹性特性研究等方面开展了一些探索和应用性工作。发展了一种基于计算流体力学/计算结构动力学（CFD/CSD）的非线性气动弹性分析方法，并用于涉及大变形结构的跨音速LCO计算研究。1）建立了厚薄通用的四边形板单元和高性能的四边形膜单元，二者组合构成线性平板壳元分析；应用更新的拉格朗日（UL）格式，推导了适用于大变形、大转动、小应变的平板壳元几何非线性列式，并采用Newmark时间积分方法实现非线性动力分析。2）发展了一种新型的局部形式界面插值方法，利用薄板样条插值位移，相应函数的定义域选取局部形式。给出定义域的高效设置过程并由能量守恒原则推导出气动力的插值矩阵。3）以Euler方程作为流动控制方程，采用格心式有限体积法和双时间步长推进格式分别进行流场的空间和时间离散，且按照分区并行方式加速CFD计算。结构分析和界面插值模块以子程序形式和CFD求解器进行联接，进而形成完整的流固耦合分析能力。机翼的跨音速颤振计算表明了所建CFD/CSD方法的有效性。应用该方法研究了切尖三角翼的大幅LCO现象，其计算精度明显优于已有结果。实现了基于CFD技术的非定常气动力ARMA降阶模型（ROM），并开展跨音速颤振问题的高效计算研究。针对“3211”型多步训练输入，借鉴CFD/CSD方法完成关键的ROM训练过程。基于MATLAB系统辨识工具箱进行ARMA模型的参数估计和模型验证，并耦合结构模态叠加法构成颤振和伺服颤振分析。标准翼型和机翼的跨音速颤振计算体现了ARMA/ROM技术的精度和效率。应用该方法进行BACT二元翼段的伺服颤振分析，适当的舵面主动偏转有效提高了跨音速颤振速度。基于通用流固耦合分析程序，对新型运输机机翼和切尖三角翼模型的跨音速颤振和LCO特性进行了计算研究。运输机基本机翼的颤振结果接近于试验值，相应LCO现象是由大幅激波运动所引起的。翼梢小翼和C型翼梢对基本机翼的颤振特性产生了明显不利影响。分析中还采用虚拟质量方法分离了翼梢装置质量和气动力的作用。切尖三角翼LCO的计算和试验值吻合良好。小动压情况下，LCO主要由结构几何非线性引起；大动压情况下，LCO的产生受到结构几何及材料非线性的共同作用；源于塑性的材料非线性导致LCO幅值的急剧增大。首次发现材料非线性对气动弹性特性产生了显著影响。最后对本论文的工作进行总结，并展望了未来的研究方向。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-16
第一章绪论  16-35
  1.1 气动弹性力学概述  16-17
  1.2 飞行器气动弹性研究进展  17-28
    1.2.1 气动弹性试验研究  18-21
    1.2.2 气动弹性计算研究  21-28
  1.3 非线性气动弹性计算的关键技术  28-33
    1.3.1 非定常气动力的CFD计算  29-30
    1.3.2 非线性结构响应的CSD分析  30-31
    1.3.3 CFD和CSD的耦合  31-33
  1.4 本文的研究内容与安排  33-35
第二章一种通用四边形平板壳元及其几何非线性分析  35-60
  2.1 引言  35-36
  2.2 基于Kirchhoff约束弱形式的四边形Mindlin板元  36-42
    2.2.1 四结点四边形Mindlin等参板元  36-37
    2.2.2 Kirchhoff约束的弱形式  37-38
    2.2.3 板元各边的剪应变  38-39
    2.2.4 结点剪应变  39-40
    2.2.5 板元的应变场  40-41
    2.2.6 板元验证算例  41-42
  2.3 带旋转自由度的四边形膜元  42-46
    2.3.1 Allman型四边形等参膜元  42-44
    2.3.2 Allman型膜元的精化处理  44-45
    2.3.3 膜元验证算例  45-46
  2.4 平板壳元几何非线性静力分析  46-55
    2.4.1 坐标系和位移场  47-48
    2.4.2 基于VonKarman假设的Green应变及单元几何矩阵  48-50
    2.4.3 应力的定义、更新及转换  50-53
    2.4.4 非线性求解过程  53-54
    2.4.5 几何非线性静力验证算例  54-55
  2.5 平板壳元几何非线性动力分析  55-59
    2.5.1 平板壳元的质量矩阵  56-57
    2.5.2 Newmark时间积分  57-58
    2.5.3 几何非线性动力验证算例  58-59
  2.6 本章小结  59-60
第三章基于CFD/CSD的非线性气动弹性计算方法  60-80
  3.1 引言  60-61
  3.2 局部形式界面插值方法  61-67
    3.2.1 位移插值矩阵  61-62
    3.2.2 局部形式的插值定义域  62-63
    3.2.3 气动力插值矩阵  63-64
    3.2.4 界面插值算例  64-67
  3.3 CFD/CSD耦合计算方法及其实现  67-78
    3.3.1 FLUENT求解器  68-70
    3.3.2 用户定义函数（UDF）  70-71
    3.3.3 耦合结构求解器  71-73
    3.3.4 非线性气动弹性算例  73-78
  3.4 本章小结  78-80
第四章基于ARMA/ROM的高效气动弹性分析  80-100
  4.1 引言  80-84
    4.1.1 基于POD方法的气动力降阶模型  81-82
    4.1.2 基于系统辨识方法的气动力降阶模型  82-84
    4.1.3 拟开展的工作  84
  4.2 ARMA/ROM建立过程  84-91
    4.2.1 ARMA模型的基本理论  85-86
    4.2.2 基于通用CFD求解器的训练过程  86-89
    4.2.3 ARMA模型的参数估计  89
    4.2.4 基于ROM的气动弹性分析  89-91
  4.3 算例与分析  91-98
  4.4 本章小结  98-100
第五章两类典型机翼的气动弹性特性研究  100-120
  5.1 引言  100-102
  5.2 计算方法  102-105
    5.2.1 跨音速气动力建模  102-103
    5.2.2 结构非线性建模  103-104
    5.2.3 结构/气动耦合  104-105
  5.3 新型运输机机翼的颤振特性分析  105-112
    5.3.1 运输机机翼模型  105-107
    5.3.2 基本机翼的颤振和LCO计算  107-109
    5.3.3 带翼梢小翼机翼的颤振分析  109-110
    5.3.4 C型机翼的颤振分析  110-112
  5.4 切尖三角翼LCO的气动弹性模拟  112-118
    5.4.1 切尖三角翼模型  112-113
    5.4.2 LCO计算（仅含几何非线性）  113-116
    5.4.3 LCO计算（包含几何及材料非线性）  116-118
  5.5 本章小结  118-120
第六章总结与展望  120-122
  6.1 全文总结  120-121
  6.2 后续工作展望  121-122
参考文献  122-133
致谢  133-134
在学期间的研究成果及发表的学术论文  134-135

基于CFD/CSD的机翼气动弹性计算研究

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