發(fā)布時(shí)間：2017-11-28 17:28

  本文關(guān)鍵詞：太陽能無人機(jī)非線性氣動(dòng)彈性及飛行力學(xué)研究

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【摘要】：高空超長航時(shí)太陽能無人機(jī)可用于執(zhí)行偵察、監(jiān)測、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象之一。受其獨(dú)特的能源形式限制,高空超長航時(shí)太陽能無人機(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)分布等特性相對變形前狀態(tài)亦發(fā)生較大改變;線性理論無法滿足這類飛機(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,本文主要開展了以下研究工作:(1)大尺度、大展弦比高空超長航時(shí)太陽能無人機(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3%。CR有限元法具有較高的求解效率和較好的計(jì)算精度,可以用于大柔性太陽能無人機(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)大柔性太陽能無人機(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,無人機(jī)變形后的氣動(dòng)特性研究對其總體設(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)彈性求解方法,研究了某新穎布局太陽能無人機(jī)的靜氣動(dòng)彈性響應(yīng)特性。研究表明:無人機(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,大柔性太陽能無人機(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)彈性穩(wěn)定性問題時(shí),將產(chǎn)生較大的偏差。本文對基于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類“太陽神”布局太陽能無人機(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這類飛機(jī)氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性所造成的不利影響。(4)對比了非定常渦格法、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能無人機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮的問題之一。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,滿足大柔性太陽能無人機(jī)飛行力學(xué)分析所需的精度要求。本文基于CR理論,提出了一種適用于大柔性飛機(jī)非線性氣動(dòng)彈性及飛行力學(xué)分析的求解方法,基于該方法研究了大柔性太陽能飛機(jī)的靜氣動(dòng)彈性、氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性、非線性配平及飛行動(dòng)力學(xué)等問題,對以太陽能飛機(jī)為代表的大柔性飛行器的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義及工程指導(dǎo)價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V279;V212

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 馬東立;包文卓;喬宇航;;基于重力儲能的太陽能飛機(jī)飛行軌跡研究[J];航空學(xué)報(bào);2014年02期

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本文編號：1234774