[发明专利]一种针对弹性飞机的静气动弹性计算方法

说明书

本发明属于飞行器仿真设计领域，具体为一种针对弹性飞机的静气动弹性计算方法。本发明耦合了求解RANS方程的CFD方法和求解结构非线性的有限元方法，在静气动弹性求解过程中，需要在气动和结构网格之间进行气动载荷和结构位移的传递，为了保证精度，采用RBF方法进行气动载荷和结构位移的传递。基于RBF方法能够通过每一个插值点的精确插值的特点，将气动/结构交界面分成几个部分单独进行插值，减小插值矩阵维度，降低计算难度，提高效率。采用扩散光顺方法进行气动网格更新，该方法可保持机翼附近网格的质量。该计算方法通过分析CRM翼身组合体模型验证静气弹变形，取得了很好的效果。

技术领域

本发明属于飞行器仿真设计领域，具体涉及一种针对弹性飞机的静气动弹性计算方法。

背景技术

飞机实际在空中的运动时，会受到气流、速度、温度、空气压缩性等多种因素的影响，气动载荷加载在柔性机翼上会导致机翼发生结构变形，变形量较大时会对机翼气动特性产生负面影响。现代大型宽体客机机翼中复合材料的使用占比很高，机翼在飞行时会有很大的气动弹性变形，对气动性能产生较大的影响。气动弹性问题一直都是航空领域的一个研究热点。数值模拟分析是无破坏性的、可以个性化控制的、能够多次重复的、不受实际工作条件限制，可以实现的功能非常齐全的一种实验手段。利用数值模拟的结果，可以加深研究人员对实际模型的理解，快速找出研制过程中出现的问题的原因并提供解决方法。

气动弹性分析

实际情况中，飞行器的结构并不是绝对刚性的，飞行器外形结构受气动力作用会发生一定程度的弹性变形，这种结构的变形会反作用于气动力，引起气动力的改变，从而导致结构外形进一步的弹性变形，这样的结构变形与气动力交互作用的现象称为气动弹性现象。气动弹性效应是飞行器研究过程中不可忽视的重要部分。对弹性体飞行器的研究涉及到空气动力作用与弹性结构变形之间相互影响的问题，对飞行器的安全与性能起着关键的作用。随着航空航天领域的发展，气动弹性问题对飞行器的安全和发展的威胁逐渐突显，历史上就曾发生多起事故：1903年，Lanley的单翼机首次作有动力的飞行试验时，就由于气动弹性效应而发生了机翼的断裂，并最终坠毁；1912年，英国的Handly Page轰炸机在作战时由于尾翼颤振而坠毁；20世纪30年代，英国的“蛾号”与“鸽号”飞机都因发生颤振而失事；40年代，德国的V-2火箭曾遭遇颤振而导致结构破坏。弹性效应造成的严重损失使得人们逐步认识到结构设计环节考虑气动弹性效应的重要性。二十世纪中叶以来，研究者们将气动弹性力学定义成为一门独立的科学分支并不断发展，其研究的结果虽然使弹性问题造成的事故次数有所减少，但依然存在一些损失严重的事故：20世纪60年代，北京航空学院研制的无人靶机，因气动弹性造成机体失稳而坠毁；2001年，美国的高超声速验证机X-43因控制舵面颤振而首飞失败，导致整个Hyper-X计划遭遇重创。由此可见，对飞行器弹性问题的研究已经成为飞行器研究的重要环节。现代飞行器的性能设计日益追求高速度、高机动性，结构设计致力于减重增效，而飞行速度不断提高的同时也带来了复杂的气动载荷，飞行器越来越呈现出轻结构、高弹性、高频响的控制系统特点，这些都会导致结构、空气动力和控制系统等方面的强烈非线性及其相互的强耦合作用，因而气动弹性与控制系统相耦合的问题在设计和飞行环节中广泛存在。由于通常情况下气动弹性现象会造成设计失效、结构破坏的有害影响，工程界常将其视为不利因素，这一矛盾突显了气动弹性力学与控制系统耦合研究的重要性和必要性。研究这类问题，涉及到结构动力学、非定常空气动力学和自动控制系统动力学等多学科领域的交叉，具有较强的综合性和复杂性。三者的关系可以用气动伺服弹性力学三角形来表述，如图1所示。