太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)非線性氣動(dòng)彈性及飛行力學(xué)研究.pdf

1、高空超長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)可用于執(zhí)行偵察、監(jiān)測(cè)、預(yù)警和通信中繼等任務(wù)，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿皯?yīng)用前景，是臨近空間飛行器重要的研究對(duì)象之一。受其獨(dú)特的能源形式限制，高空超長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)一般具有展弦比大、翼載荷低、結(jié)構(gòu)面密度低、結(jié)構(gòu)柔性大等特點(diǎn)，在氣動(dòng)載荷的作用下，機(jī)翼將產(chǎn)生較大的彈性變形，結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量分布和推進(jìn)系統(tǒng)分布等特性相對(duì)變形前狀態(tài)亦發(fā)生較大改變；線性理論無(wú)法滿足這類飛機(jī)氣動(dòng)彈性及飛行力學(xué)研究的精度需求，迫切地需要發(fā)展高精度的非線

2、性氣動(dòng)彈性、配平及穩(wěn)定性求解工具?？紤]機(jī)翼幾何大變形效應(yīng)的大柔性飛機(jī)非線性氣動(dòng)彈性及飛行力學(xué)分析方法是目前這類飛機(jī)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。在上述研究需求的牽引下，本文主要開(kāi)展了以下研究工作：
　　(1)大尺度、大展弦比高空超長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)一般采用柔性設(shè)計(jì)思想，允許較大的彈性變形，常規(guī)的線彈性結(jié)構(gòu)模型求解假設(shè)不再適用。本文，基于Co-rotational(CR)理論，首先推導(dǎo)了結(jié)構(gòu)變形后的切線剛度矩陣及其內(nèi)力求解格

3、式、切線質(zhì)量矩陣及動(dòng)力學(xué)平衡方程，建立了高精度的幾何非線性結(jié)構(gòu)模型，并給出了非線性靜力學(xué)增量平衡方程和直接數(shù)值積分法求解非線性動(dòng)力學(xué)平衡方程的計(jì)算流程。以大柔性懸臂梁為例，驗(yàn)證了其求解的精度、效率以及編寫的Fortran求解程序的有效性。研究表明：采用 Newton-Raphson迭代格式求解靜力學(xué)增量平衡方程時(shí)，只需3-5次子迭代即可滿足位移收斂標(biāo)準(zhǔn)<10-3，且最大求解誤差不超過(guò)3％。CR有限元法具有較高的求解效率和較好的計(jì)算精度，

4、可以用于大柔性太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)建模，以便較好地模擬其大柔性機(jī)翼結(jié)構(gòu)的幾何非線性變形特征。
　　(2)大柔性太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)較大的機(jī)翼彈性變形，將引起氣動(dòng)載荷的重新分布及作用方向的改變，無(wú)人機(jī)變形后的氣動(dòng)特性研究對(duì)其總體設(shè)計(jì)亦具有重要的參考意義。本文基于CR靜力學(xué)模型耦合計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)，構(gòu)造了流固耦合求解器，提出了一種可以考慮幾何大變形效應(yīng)的大柔性飛機(jī)靜氣動(dòng)彈性求解

5、方法，研究了某新穎布局太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的靜氣動(dòng)彈性響應(yīng)特性。研究表明：無(wú)人機(jī)受載后，隨著變形的增加，升阻特性將變差，滾轉(zhuǎn)力矩導(dǎo)數(shù)和偏航力矩導(dǎo)數(shù)的絕對(duì)值可增加數(shù)倍，并改善了氣動(dòng)載荷在展向的分布，從而有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；采用線彈性結(jié)構(gòu)模型求解假設(shè)研究這類飛機(jī)的靜氣動(dòng)彈性問(wèn)題時(shí)，將產(chǎn)生較大的偏差。
　　(3)隨著彈性變形的增加，大柔性太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)剛度特性、質(zhì)量分布特性等將發(fā)生較大改變，仍采用線性動(dòng)氣動(dòng)彈性分析方法研究這類飛機(jī)的動(dòng)氣動(dòng)彈

6、性穩(wěn)定性問(wèn)題時(shí)，將產(chǎn)生較大的偏差。本文對(duì)基于CR理論的大柔性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行線性化，耦合片條非定常氣動(dòng)力模型，引入準(zhǔn)模態(tài)假設(shè)，提出了一種適用于大柔性太陽(yáng)能飛機(jī)的非線性氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性分析方法；基于該方法，研究了彈性變形、結(jié)構(gòu)剛度、彈性軸位置、剖面質(zhì)心位置、集中質(zhì)量在展向的分布等因素對(duì)類“太陽(yáng)神”布局太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的動(dòng)氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性的影響。研究表明：隨著機(jī)翼彈性變形的增加，非線性顫振速度可下降8.6%以上，非線性顫振頻率可下降6.49%；合

7、理地增加結(jié)構(gòu)剛度、前移彈性軸或剖面質(zhì)心，合理地布置集中載荷等，均可以有效地改善幾何大變形對(duì)這類飛機(jī)氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性所造成的不利影響。
　　(4)對(duì)比了非定常渦格法、基于Wagner函數(shù)的Duhamel積分形式的非定常氣動(dòng)力模型和ONERA動(dòng)態(tài)失速模型及其改進(jìn)形式等描述時(shí)域非定常氣動(dòng)力的精度，研究了二元翼段非線性氣動(dòng)彈性響應(yīng)特性；采用基于CR理論所建立的大柔性機(jī)翼結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，耦合改進(jìn)的ONERA動(dòng)態(tài)失速非線性非定常氣動(dòng)力模型，提出

8、了一種適用于大柔性機(jī)翼的非線性氣動(dòng)彈性時(shí)域響應(yīng)求解方法，通過(guò)算例驗(yàn)證了該方法的精度、計(jì)算效率及所編寫相應(yīng)Fortran程序的有效性，合理地預(yù)測(cè)了這類大柔性機(jī)翼的極限環(huán)顫振特性。
　　(5)考慮幾何非線性氣動(dòng)彈性效應(yīng)的大柔性飛機(jī)非線性配平、飛行載荷及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析是大尺度大展弦比超柔性太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮的問(wèn)題之一。本文采用CR有限元理論在其非線性結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步引入了重力、分布式推力等模型，并考慮了機(jī)翼幾何大變形引

9、起的氣動(dòng)載荷分布、結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量分布、推進(jìn)系統(tǒng)推力等特性的改變，提出了一種適用于大柔性飛機(jī)非線性配平、飛行載荷分析及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性研究的求解方法，并采用 Fortran語(yǔ)言編寫了該方法的迭代求解代碼；基于該方法，研究了具有分布式推進(jìn)系統(tǒng)的大柔性太陽(yáng)能飛機(jī)的非線性飛行力學(xué)特性。研究表明：變形較大時(shí)，采用線彈性結(jié)構(gòu)模型解得的配平誤差可達(dá)50%以上，翼尖位移預(yù)測(cè)誤差可達(dá)25%以上；所提出的非線性飛行力學(xué)分析方法具有較好的精度，滿足大柔性太陽(yáng)能無(wú)人