基于CFD技術(shù)的高效氣動(dòng)彈性分析方法研究.pdf

1、氣動(dòng)彈性分析是現(xiàn)代飛行器設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。現(xiàn)代氣動(dòng)彈性分析中的非定常氣動(dòng)力計(jì)算方法主要有以下兩種。一種是基于傳統(tǒng)升力面理論的線化模型。該方法效率高，已經(jīng)廣泛用于型號(hào)設(shè)計(jì)，但是該模型計(jì)算精度較低，也不能用于跨音速、大迎角等非線性氣動(dòng)彈性的研究。另一種是基于CFD技術(shù)的流場求解技術(shù)。該方法可以模擬復(fù)雜的非線性流場，適合于跨音速、大迎角等非線性氣動(dòng)彈性的數(shù)值模擬，但其計(jì)算效率低，不便于定性分析和參數(shù)設(shè)計(jì)。本文工作旨在緩解現(xiàn)代氣動(dòng)彈性力學(xué)的兩對(duì)

2、矛盾——計(jì)算效率和計(jì)算精度以及系統(tǒng)的復(fù)雜性和易分析、易設(shè)計(jì)性，開展了如下幾個(gè)方面的工作： 發(fā)展了一種基于CFD技術(shù)的當(dāng)?shù)亓骰钊碚摚⑼茝V用于氣動(dòng)彈性的穩(wěn)定性分析。該方法運(yùn)用 Euler 方程求解平衡位置的定常流場，然后在定常流場的基礎(chǔ)上使用活塞理論，實(shí)現(xiàn)了活塞理淪高效率和 CFD 技術(shù)高精度的結(jié)合，大大地放寬了經(jīng)典活塞理論對(duì)飛行迎角、M 數(shù)以及翼型形狀的限制，是一種適合于超音速、高超音速氣動(dòng)彈性分析的高效、高精度氣動(dòng)力模型。

3、 發(fā)展并完善了基于CFD技術(shù)的非線性氣動(dòng)彈性數(shù)值仿真程序。算例驗(yàn)證了該程序的正確性和適用性。提出了兩種基于插值技術(shù)的流體/結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)時(shí)域耦合仿真方法，即改進(jìn)的龍格－庫塔方法和雜交的 Adams 線性多步方法。在保證高階耦合精度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)物理時(shí)間步內(nèi)只需求解一次非定常流場，不僅減少了計(jì)算量，而且使得現(xiàn)有的流場求解器幾乎不作改動(dòng)就可用于流固耦合問題的研究。算例證明這兩種耦合方法具有穩(wěn)定性好、精度高、效率高和耦合簡單的特點(diǎn)

4、。發(fā)展了基于一種動(dòng)態(tài)近似邊界條件技術(shù)的非定常氣動(dòng)力求解方法，免去了彈性體振動(dòng)時(shí)的網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)，提高了程序的魯棒性，適合于氣動(dòng)彈性研究中的非定常氣動(dòng)力求解。 基于CFD技術(shù)利ARX模型，運(yùn)用系統(tǒng)辨識(shí)方法，建立了基于模態(tài)坐標(biāo)的降階非定常氣動(dòng)力模型。耦合結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程，建立了基于ROM(Reduced Order Model)技術(shù)的跨音速開環(huán)氣動(dòng)彈性分析模型。算例首先驗(yàn)證了該分析方法的正確性和精度。運(yùn)用該方法揭示了lsogai Wing

5、在跨音速區(qū)出現(xiàn)“S”形顫振邊界的原因——顫振分支隨臨界動(dòng)壓的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)移。運(yùn)用該方法研究了跨音速操縱面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)機(jī)翼顫振特性的影響，算例顯示一些適用于亞音速的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和顫振排除技術(shù)不適合于跨音速狀態(tài)，可能為跨音速飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來重要影響。 在開環(huán)氣動(dòng)彈性分析的基礎(chǔ)上，耦合控制系統(tǒng)，首先建立了跨音速伺服氣動(dòng)彈性分析模型。算例研究了典型導(dǎo)彈的跨音速閉環(huán)氣動(dòng)彈性特性，分析了控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)顫振特性的影響。研究表明伺服系統(tǒng)中未

6、串聯(lián)陷波器時(shí)，傳感器的安放位置對(duì)導(dǎo)彈伺服氣動(dòng)彈性特性有較大影響，串有陷波器后，該導(dǎo)彈的伺服氣動(dòng)彈性特性與開環(huán)特性基本相同。而后在此基礎(chǔ)上運(yùn)用基于出反饋的次優(yōu)控制方法設(shè)計(jì)控制律，率先開展了跨音速顫振的主動(dòng)抑制研究。算例選擇跨音速伺服氣動(dòng)彈性研究的標(biāo)準(zhǔn)模型－BACT模型。運(yùn)用基于 Euler 方程的直接伺服氣動(dòng)彈性仿真方法米驗(yàn)證該分析和設(shè)計(jì)方法的可靠性。數(shù)值仿真結(jié)果證明，這種跨音速顫振主動(dòng)控制律的設(shè)計(jì)方法是正確的，并具有較好的效果。次優(yōu)控制