弹翼静气动弹性计算祷

气动弹性

什么是气动弹性气动弹性作为一门力学学科是研究弹性物体在气流中的力学行为，其任务是研究气动力和弹性体之间的相互影响。弹性力学的经典理论是研究弹性体在给定外力或位移作用下的应力与应变。通常，物体上的外作用力与变形无关，即认为在小变形下，不影响外力的作用。在这种情况下，常常忽略物体尺寸的变化，并按照初始形状进行计算。但是，在大多数重要的气动弹性问题中，情况起了变化。也就是说，应认为外力是随着物体的变形情况而改变的，即载荷本身不是事先可以确定的，弹性变形对它起着重要作用。在弹性变形决定以前，空气动力的大小是不知道的。因此，通常在问题解出以前，外载荷是不知道的。例如，在研究飞机的气动弹性问题时，要把它当做弹性体处理，此时机翼上的升力要取决于机翼翼面相对于气流的位置和运动，即此时的气动力载荷不是一个事先可以确切给出的值。这也是气动弹性问题研究的主要特点之一。如何产生气动弹性力学所研究的各类气动弹性现象，不外乎起因于空气动力、弹性力和惯性力之间的相互作用。对于飞机的气动弹性，把飞机看作弹性体，此时机翼上的升力取决于机翼翼面相对于气流的位置和运动，此时的气动弹性力不是一个可以事先确切给出的值，也可以理解成飞机在一定的弹性变形下产生一定的空气动力，一定的空气动力又会产生附加弹性变形，附加的弹性变形又反过来使得弹性体产生新的空气动力，这样周而复始，使得弹性体达到平衡或者发散。气动弹性力学主要关心的问题之一是结构在气流中的稳定性。因为对于一定的结构其空气动力将会随着气流流速的增加而增加，而结构的弹性刚度却与气流速度无关，所以存在一个临界风速，在这个速度下结构变成不稳定的，这种不稳定性会产生极大的变形，并且会导致结构的破坏，这是飞机设计中决不允许的。从稳定性这个角度出发，根据惯性力在所考虑的问题中是否允许忽略，把上述的不稳定性又可区分为静不稳定性和动不稳定性。前者主要是扭转变形发散，而后者主要是颤振。而从气动弹性问题的整体来看，它所包含的内容，不仅是稳定性，还包括有很多其他问题。诸如在气动弹性静力问题中，由于弹性变形会引起载荷重新分布，也会使飞机的操纵效率降低，甚至发生操纵反效。在气动弹性动力问题中，还有飞机对外载荷的动力响应，这种响应可以是飞机的变形、运动或诱生的动应力。例如由操纵面偏转、突风等引起的响应都属于这类问题。气动弹性主要包括问题包括： 1、热气动弹性：进入超声速飞行速度范围，特别是在近代高速飞行器上，由于进入大气层时的高温环境，使得结构产生了热应力，为此需要研究结构在受热条件下的气动弹性现象，这就形成了热气动弹性。 2、伺服气动弹性：现代飞行器上普遍使用了伺服控制。飞行控制系统随着其功能不断发展，通频带变宽、权限增大；而飞行器结构设计的趋势是柔性增大。柔性飞行器结构、非定常气动力和控制系统之间的相互作用，与颤振相关联形成伺服气动弹性。

大展弦比前掠翼气动弹性分析和优化

大展弦比前掠翼气动弹性分析和优化高性能长航时飞机最近得到了足够的重视，这类的飞机有着很大的展弦比，且要求重量非常的低，这类飞机飞行时候变形很大，气动弹性问题是越来越突出了在高的展弦比和地的重量下，所以，注意气动弹性问题和进行足够分析是很重要的。为了得到更好的气动性能，前掠翼就被注意到了再高性能长航时飞机的设计中，相应的研究已经在进行了。相比于后掠翼和平直翼，前掠翼又更好的气动性能，但是呢，却又低的发散速度，研究表明，这是后好处的对于长航时飞机的重量和气动变性的要求，当复合材料被足够好的使用在设计中的时候。好性能长航时飞机的气动弹性问题变得更加容易解决因为前掠布局和复合材料的应用。对于复合材料的机翼，掠角，和蒙皮又非常大的影响对其气动弹性和结构的优化来说。这两个是结构设计中药考虑的，有非常多的研究在这个方面最近。为了在气动弹性上面获得满意的结果，需要用合适的钥匙。过去，气动弹性的优化方法研究主要是面向常规的敏感的算法，但是，这个只能得到部分的最好的解，分析结果也是非常的局限的。最近，作者和他的小组开始了对遗传的/敏感的方法进行了气动弹性的优化研究，已经用在了中等展弦比的前掠翼飞机上面了，结果是令人满意的。气动弹性建模和相应的计算被执行用不同的前掠角和蒙皮轴取向，去分析前掠角和蒙皮轴取向对前掠翼的静气动弹性和动气动弹性的影响。在这个基础上，为了为飞机总体的设计提供借鉴参考，遗传的/敏感的算法被应用，为了研究前掠角、蒙皮趋向角对最后重量的影响，几何非线性气动弹性分析和优化的影响被几乎忽略，由于弯曲和扭转变形分析的对象都比较小，几何非线性较轻。 1理论基础气动弹性分析是基于矩阵为基础的，通过矩阵的分解，组合和变换完成的了。为了方便地管理矩阵的操作，定义位移向量集是必要的，并为每一位移矢量集指定的自由度。事实上，不同的位移矢量集出现在不同的分析阶段。 1.1静气动弹性动态方程静气动弹性的动态方程一般可以表示为 K aa为结构刚度矩阵。q为动压，Q aa为气动力影响矩阵，u a为位移矢量，M aa是质量矩阵，Q ax是单元气动载荷矩阵，ux是用来定义的气动控制面偏转和整体的刚体运动

读书报告--气动弹性与气动热弹性研究进展

气动弹性与气动热弹性研究进展摘要高超声速飞行器一般是指飞行马赫数大于5且能够在大气层和跨大气层中实现远程飞行的飞行器，根据超音速飞行器的经验可知，气动弹性模拟对于高超声速飞行器的研究是非常关键的。经典气动弹性是指结构惯性、弹性和气动之间的相互作用，现代气动弹性包括比较宽泛的一系列问题，包括结构惯性、弹性、气动、控制和热效应等方面，因此经典静气动弹性和热气动弹性问题的研究具有重要意义。本文首先介绍研究背景意义，然后分别从研究重视程度及历史研究进展，气动力建模，气动热效应等方面对气动弹性与气动热弹性研究进行了综述，并指出由于缺少高超声速气动弹性实验数据及气动弹性分析所需的气动热结构模型的可信度有待验证，相关技术远未成熟，需要继续深入探索。 1. 引言高超声速飞行器主要采用细长升力体布局，典型气动外形如图1所示。通常在重量的约束下，高超声速飞行器的机体和操纵面普遍采用轻质结构，因此其结构刚度偏小。高超声速飞行器的典型飞行包线如图2所示，其Ma在0~15范围内，而且必须在大气层范围内持续飞行一定时间，以满足吸气式推进系统的要求。飞行器机体在气动热和气动力复合载荷作用下，将在流动、结构、控制和推进系统之间产生复杂的相互作用。另外，根据亚音速和超音速飞行器的经验可知，气动弹性模拟对于高超声速飞行器的研究是非常关键的。而风洞缩比模型的气动弹性和热气动弹性的试验能力是有限的，无法真实模拟高超声速飞行器的真实环境。因此，对高超声速飞行器的气动弹性数值模拟研究是非常迫切。图1. 高超声速飞行器布局示意图

图2. 高超声速飞行器的飞行包线经典气动弹性是指结构惯性、弹性和气动之间的相互作用。现代气动弹性包括比较宽泛的一系列问题，包括结构惯性、弹性、气动、控制和热效应等方面，如图3.所示。正如图中所描述的，经典气动弹性由惯性、弹性和气动构成的三角形组成。在该三角形基础上加上控制构成气动伺服弹性，如图3中上面的四面体。如果加上热效应则构成热气动弹性，如图3中下面的四面体。下文主要介绍经典静气动弹性和热气动弹性问题研究进展。图3. 气动-伺服-热-弹性六面体 2. 研究进展和现状研究重视程度在上世纪50年代末期和60年代，高超声速空气弹性和热气动弹性研究曾经是一个非常活跃的研究领域。从上世纪60年代X-15技术验证机的研发开始，美国加强了高超声速相关技术的研究。利用火箭发动机，X-15A-2在1967年创造了6.72马赫的飞行速度记录。这期间的研究成果后来在航天飞机研制过程中成为热气动弹性设计的基础。但在其后相当长一段时期，高超声速热气动弹性问题很少引起关注也很少有相关研究报告。这一状况持续到美国80年代中期的NASP （National Aero-Space Plane）计划开展时有所改变。近年来，又受到单级和双级入轨可重复使用运载器（RLV/TA V），长航程吸气式发动机类型高速飞行器HSVs