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大展弦比柔性机翼气动弹性分析中的气动力方法研究进展

杨超;杨澜;谢长川

【摘要】近20年来长航时飞行的需求强烈,大柔性飞行器的几何非线性气动弹性

问题逐渐凸显,使得气动弹性力学面临新的挑战.本文针对大展弦比大变形的柔性飞

行器,调研和分析了目前几何非线性气动弹性工程研究领域中主要使用的气动建模

方法,着重介绍基于片条理论、面元法和计算流体力学(ComputationalFluid

Dynamics,CFD)技术等气动建模方法在静、动气动弹性分析中的主要特点、研究

现状与应用状况,并对大展弦比大变形机翼的气动弹性分析中气动力方法的发展提

出若干建议,供气动弹性基础研究和工程应用研究人员参考.

【期刊名称】《空气动力学学报》

【年(卷),期】2018(036)006

【总页数】10页(P1009-1018)

【关键词】气动弹性;大展弦比机翼;几何非线性;气动建模

【作者】杨超;杨澜;谢长川

【作者单位】北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191;航空器先进设

计技术工信部重点实验室,北京100191;北京航空航天大学航空科学与工程学院,北

京100191;航空器先进设计技术工信部重点实验室,北京100191;北京航空航天大

学航空科学与工程学院,北京100191;航空器先进设计技术工信部重点实验室,北京

100191

【正文语种】中文

【中图分类】V211.47

0引言

自20世纪90年代末起,由于长航时无人机、大型运输机和大型客机等长航时飞

行器的高性能要求,高升阻比和轻质结构的设计充分体现在大展弦比机翼设计中,

随之而来的一类新的非线性气动弹性问题开始受到关注,即大柔性飞行器的大变形

几何非线性气动弹性问题。采用轻质材料的大展弦比机翼是该问题的主要研究对象,

其力学本质在于结构求解中的小变形假设不再适用,结构受力变形后的平衡态相对

未变形的结构呈现明显的几何差异,结构的承载和变形状态引起的几何非线性因素

使得结构静、动特性发生改变,并且改变静、动气动弹性耦合关系,从而使气动弹

性的研究及应用面临新的挑战。

几何非线性气动弹性的研究从理论方面与一般气动弹性力学主要有以下区别:其一

为结构几何非线性理论,主要解决大变形情况下的结构静、动力学分析;其二为曲

面气动力理论研究,主要解决结构大变形条件下,边界条件依赖于变形状态的定常

和非定常气动力计算方法;其三为结构/气动界面耦合方法研究,主要研究适用于

空间大变形的多维插值问题。

本文主要介绍大柔性机翼几何非线性气动弹性工程分析领域中气动建模方法的研究

现状与进展,重点说明基于片条理论、面元法和CFD技术等气动建模方法的特点

及其主要适用的问题,力图展示气动建模在几何非线性气动弹性研究中的应用特点,

供相关气动弹性理论与工程应用、空气动力学等方面的研究人员参考。

1片条理论

片条理论是气动弹性研究中使用最早且广泛应用的一种气动建模方法,其核心思想

是利用二维流(无限翼展机翼)的简单结果来计算有限翼展升力面的定常/非定常气

动力。将大展弦比升力面沿展向划分为若干窄条网格,基于二元翼段的气动理论计

算每个片条的气动力,再将展向网格之间的气动干扰作用考虑在局部气动导数中进

行三维修正,由此得到大展弦比机翼的气动特性。此类方法建立的气动模型简单,

能与结构模型高效配合,并且能够考虑气动非线性作用,对于大展弦比机翼静、动

气动弹性分析来说能够得到较为合理的计算结果,可用于飞行器气动弹性设计的初

步阶段以及非线性机理研究。

基于片条理论计算二维翼型气动力的方法主要有Theodorsen方法、ONERA方法

以及有限状态理论等,以下分别介绍。

1.1Theodorsen方法

Theodorsen方法是一种基于线化理论的二维不可压流谐振荡非定常气动力理论,

1934年由T.Theodorson提出[1]。在此基础上,建立了解析法精确求解二维翼

面低速颤振问题的有效方法。Theodorsen理论能够得到简谐运动下精确的频域解

析解,在20世纪早期的大展弦比飞机工程颤振计算中得到了广泛应用[2-4]。

谢长川等人将曲面修正的片条理论和Theodorsen理论相结合,建立了考虑机翼

大变形的非定常气动力的计算方法,基于结构动力学准模态的思想进行大变形平衡

态附近的气动弹性稳定性分析[5]。基于片条理论解决大变形曲面气动力问题时,

重点是要考虑由于升力面几何形状引起的片条法向变化。气动力片条需在变形后的

位置上定义

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