基于CFD技術的高效氣動彈性分析方法研究.pdf

1、氣動彈性分析是現(xiàn)代飛行器設計中的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)代氣動彈性分析中的非定常氣動力計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)廣泛用于型號設計，但是該模型計算精度較低，也不能用于跨音速、大迎角等非線性氣動彈性的研究。另一種是基于CFD技術的流場求解技術。該方法可以模擬復雜的非線性流場，適合于跨音速、大迎角等非線性氣動彈性的數(shù)值模擬，但其計算效率低，不便于定性分析和參數(shù)設計。本文工作旨在緩解現(xiàn)代氣動彈性力學的兩對

2、矛盾——計算效率和計算精度以及系統(tǒng)的復雜性和易分析、易設計性，開展了如下幾個方面的工作： 發(fā)展了一種基于CFD技術的當?shù)亓骰钊碚?，并推廣用于氣動彈性的穩(wěn)定性分析。該方法運用 Euler 方程求解平衡位置的定常流場，然后在定常流場的基礎上使用活塞理論，實現(xiàn)了活塞理淪高效率和 CFD 技術高精度的結(jié)合，大大地放寬了經(jīng)典活塞理論對飛行迎角、M 數(shù)以及翼型形狀的限制，是一種適合于超音速、高超音速氣動彈性分析的高效、高精度氣動力模型。

3、 發(fā)展并完善了基于CFD技術的非線性氣動彈性數(shù)值仿真程序。算例驗證了該程序的正確性和適用性。提出了兩種基于插值技術的流體/結(jié)構動力學時域耦合仿真方法，即改進的龍格－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，實現(xiàn)了在一個物理時間步內(nèi)只需求解一次非定常流場，不僅減少了計算量，而且使得現(xiàn)有的流場求解器幾乎不作改動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

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

5、在跨音速區(qū)出現(xiàn)“S”形顫振邊界的原因——顫振分支隨臨界動壓的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)移。運用該方法研究了跨音速操縱面結(jié)構參數(shù)對機翼顫振特性的影響，算例顯示一些適用于亞音速的結(jié)構設計準則和顫振排除技術不適合于跨音速狀態(tài)，可能為跨音速飛行器的結(jié)構設計帶來重要影響。 在開環(huán)氣動彈性分析的基礎上，耦合控制系統(tǒng)，首先建立了跨音速伺服氣動彈性分析模型。算例研究了典型導彈的跨音速閉環(huán)氣動彈性特性，分析了控制參數(shù)對系統(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，傳感器的安放位置對導彈伺服氣動彈性特性有較大影響，串有陷波器后，該導彈的伺服氣動彈性特性與開環(huán)特性基本相同。而后在此基礎上運用基于出反饋的次優(yōu)控制方法設計控制律，率先開展了跨音速顫振的主動抑制研究。算例選擇跨音速伺服氣動彈性研究的標準模型－BACT模型。運用基于 Euler 方程的直接伺服氣動彈性仿真方法米驗證該分析和設計方法的可靠性。數(shù)值仿真結(jié)果證明，這種跨音速顫振主動控制律的設計方法是正確的，并具有較好的效果。次優(yōu)控制