[发明专利]考虑气动面曲面效应和法向运动的非定常气动力计算方法

说明书

本发明提供了一种考虑气动面曲面效应和法向运动的非定常气动力计算方法，该方法包括：对飞行器的变形后气动面进行网格划分；获取飞行器的结构弹性模态；提取与变形后气动面相关的结构弹性模态并插值到气动网格上；在网格上布置偶极子基本解，求解核函数，根据核函数求解气动力影响系数矩阵；计算变形后气动面的气动网格的当地法向量；根据变形后气动面的法向模态求解法向运动边界条件；求解变形后气动面网格上的非定常气动力；根据变形后气动面网格上的非定常气动力和变形后气动面的法向模态以获取广义化的曲面非定常气动力。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中无法实现柔性飞行器频域非定常气动力的准确描述和计算的技术问题。

技术领域

本发明涉及飞行器气动弹性技术领域，尤其涉及一种考虑气动面曲面效应和法向运动的非定常气动力计算方法。

背景技术

非定常气动力的计算是飞行器设计和分析的关键环节，其直接影响飞行器的机动性、飞行稳定性及安全性的评估。因此非定常气动力计算是飞行器设计环节中气动弹性分析、伺服稳定性分析、飞行力学仿真、飞行性能评估的重要部分，其建模计算的合理性及准确性对飞行器设计和分析有着重要意义。

随着现代飞行器设计技术的提高、复合材料技术的发展以及飞行器高速长航时等方面的发展需求，柔性飞行器成为近期飞行器研究的热点。由于质量轻、柔性大，柔性飞行器在气动载荷作用下会发生较大的弹性变形，气动面也随之变形成空间曲面。传统气动弹性分析普遍采用的平板气动力计算不能反映三维空间真实的气动面形状也无法得到准确的流场形式，因此柔性飞行器的气动载荷计算都必须考虑气动面的曲面效应。对于非定常计算还需要对气动面的运动形式进行分析，对于柔性飞行器，受曲面效应的影响，引起非定常气动力的有效运动分量不再局限在平面构型下的Z分量，而是时刻垂直于当地气动面构型的法向运动分量。当气动面曲面效应显著时，Z向运动分量和法向运动分量的差异性显著，如果仍采用平面构型的Z运动分量进行非定常气动力的计算，必然引起较大误差，对后续的颤振分析和气动伺服弹性分析带来影响。

发明内容

本发明提供了一种考虑气动面曲面效应和法向运动的非定常气动力计算方法，能够解决现有技术中无法实现柔性飞行器频域非定常气动力的准确描述和计算的技术问题。

本发明提供了一种考虑气动面曲面效应和法向运动的非定常气动力计算方法，非定常气动力计算方法包括：对飞行器的变形后气动面进行网格划分；对飞行器进行结构动力学分析以获取飞行器的结构弹性模态；从飞行器的结构弹性模态中提取与变形后气动面相关的结构弹性模态并插值到变形后气动面的气动网格上；在变形后气动面的网格上布置偶极子基本解，求解考虑气动面变形的核函数，根据核函数求解气动力影响系数矩阵；计算变形后气动面的气动网格的当地法向量；根据变形后气动面的结构弹性模态和当地法向量求解变形后气动面的法向模态，根据变形后气动面的法向模态求解法向运动边界条件；根据法向运动边界条件和气动力影响系数矩阵求解变形后气动面网格上的非定常气动力；根据变形后气动面网格上的非定常气动力和变形后气动面的法向模态以获取广义化的曲面非定常气动力。

进一步地，考虑气动面变形的核函数为λ₁＝x_i-x_j，其中，(x_i,y_i,z_i)是接收点坐标，(x_j,y_j,z_j)是扰动点坐标，n_i是(x_i,y_i,z_i)处的翼面法线方向，n_j是(x_j,y_j,z_j)处的翼面法线方向，ω为结构振动圆频率，U_∞为远方来流速度，R'为接收点与扰动点之间的距离，a_∞为远前方来流的声速，M_∞为来流马赫数。

进一步地，变形后气动面的法向模态f可根据变形后气动面的结构弹性模态与当地法向量相乘来获取。