一种基于跨音速气动弹性分析的翼面优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于跨音速气动弹性分析的翼面优化方法，依次进行翼面的工程颤振快速预估

【技术实现步骤摘要】
一种基于跨音速气动弹性分析的翼面优化方法


[0001]本专利技术属于飞行器翼面设计的
，具体涉及一种基于跨音速气动弹性分析的翼面优化方法
。

技术介绍

[0002]气动弹性设计是飞行器研制和改型的关键内容
。
颤振分析是动气弹分析的重点问题
。
翼面在跨声速区常出现颤振速度的下降，是气动弹性稳定性问题最为严重的区域
。
跨音速
、
大变形等非线性因素使得相应的计算分析和物理机理趋于复杂，由此展开的非线性气动弹性计算方法研究是当前研究的热点
。
[0003]然而，在飞行器气弹设计过程中，飞行器的参数可能面临多轮优化，进而需要进行多轮颤振分析，颤振分析的计算结果又需要足够的精度以保证飞行器的可靠性，而高精度的跨音速颤振分析往往需要比较长的计算周期
。
缺少一种能够高效率进行跨音速气动力分析的翼面气弹设计标准流程，以满足工程设计需求
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于跨音速气动弹性分析的翼面优化方法，旨在解决上述的问题
。
[0005]本专利技术主要通过以下技术方案实现：
[0006]一种基于跨音速气动弹性分析的翼面优化方法，包括以下步骤：
[0007]步骤
A
：根据翼面外形与结构方案，以及翼面地面试验提供的模态信息，进行翼面的工程颤振快速预估，得到各工况下的颤振边界速度；与设计阶段确定的飞行包线进行对比，进行颤振安全评估；若颤振安全评估通过，则进入步骤
B
，否则重新进入步骤
A
，优化翼面外形与结构方案，进行翼面的工程颤振快速预估；
[0008]步骤
B
：在已经进行翼面的工程颤振快速预估的基础上，采用跨音速气动力修正的颤振预测方法预测跨音速段的颤振边界速度；与设计阶段确定的飞行包线进行对比，进行颤振安全评估；若颤振安全评估通过，则进入步骤
C
，否则重新进入步骤
A
，优化翼面外形与结构方案，进行翼面的工程颤振快速预估；
[0009]步骤
C
：在已经进行的跨音速气动力修正的颤振预测方法得到的颤振边界速度基础上，进行基于
CFD
和模态法耦合的时域颤振预测；与设计阶段确定的飞行包线进行对比，进行颤振安全评估；若颤振安全评估通过，则输出最终方案，否则重新进入步骤
A
，优化翼面外形与结构方案，进行翼面的工程颤振快速预估
。
[0010]为了更好地实现本专利技术，进一步地，所述步骤
B
中的跨音速气动力修正的颤振预测方法包括以下步骤：
[0011]步骤
B1
：把翼面结构离散为有限元素，求解无阻尼的自由振动运动方程，通过广义坐标变换方法，并截取有限阶模态，得到翼面各阶模态信息；
[0012]步骤
B2
：根据翼面的气动外形划分非定常气动力网格，非定常气动力网格是若干
个两侧边平行于来流的梯形状网格；
[0013]步骤
B3
：通过求解基本方程确定气动分块上的非定常气动力分布；
[0014]步骤
B4
：进行定常气动力修正，求解翼面非定常气动力：
[0015]首先通过
CFD
求解得到选定动压下的翼面上下表面压力系数分布；通过插值的方法将翼面上下表面压力系数分布插值到与翼面的非定常气动力网格的网格中心点处；通过等效片条理论求解跨音速小扰动方程，这样翼型截面产生与输入定常压力分布匹配的定常压力分布；通过分解非定常跨音速小扰动方程得到剖面的压力系数，再用非定常压力系数修正，计算能够考虑跨音速激波效应或其它非线性效应的线化非定常压力，得到翼面非定常气动力；
[0016]步骤
B5
：步骤
B4
中的翼面非定常气动力带入
p
‑
k
法的颤振方程，进行
p
‑
k
法颤振计算
。
[0017]为了更好地实现本专利技术，进一步地，所述步骤
B1
中，采用模态迭加法，将结构弹性振动的物理位移表示成若干个主要模态的线性组合：
[0018][0019]其中，
f
ij
为第
i
个节点的第
j
阶固有模态，
[0020]q
j
为第
j
个广义坐标，
[0021]m
为所选的模态数，
[0022]从而得到翼面各阶模态信息
。
[0023]为了更好地实现本专利技术，进一步地，所述步骤
B3
中，由线性非定常气动力理论可知，对于每个网格中
3/4
弦长点处应满足下列积分方程：
[0024][0025][0026]其中，
V
为颤振速度，
[0027]ρ
为流体密度，
[0028]ω
i
为第
i
个网络
3/4
弦长点处的下洗速度，
[0029]Δ
c
pj
为第
j
个网格上的压力系数，
[0030]Δ
x
j
为第
j
个网格的中剖面长度，
[0031]为第
j
个网格的后掠角，
[0032]K
ij
为气动力计算核函数，
[0033]l
j
为第
j
个网格的过
1/4
弦点的展长，
[0034]n
为升力面的气动网格分块数
。
[0035]为了更好地实现本专利技术，进一步地，所述步骤
B5
中，
p
‑
k
法的颤振方程为：
[0036][0037]其中，
p
＝
ω
(
γ
+i)
，
ω
为圆频率，
γ
为衰减率，
i
是虚数单位；
[0038]M
为广义质量对角矩阵
diag(m
11
,
…
,m
mm
)
；
[0039]b
为参考半弦长；
[0040]V
为飞行速度；
[0041]A
为广义气动力影响系数矩阵；
[0042]K
为广义刚度对角矩阵
diag(k
11
,
…
,k
mm
)
；
[0043]k
为减缩频率，
k
＝
ω
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于跨音速气动弹性分析的翼面优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤
A
：根据翼面外形与结构方案，以及翼面地面试验提供的模态信息，进行翼面的工程颤振快速预估，得到各工况下的颤振边界速度；与设计阶段确定的飞行包线进行对比，进行颤振安全评估；若颤振安全评估通过，则进入步骤
B
，否则重新进入步骤
A
，优化翼面外形与结构方案，进行翼面的工程颤振快速预估；步骤
B
：在已经进行翼面的工程颤振快速预估的基础上，采用跨音速气动力修正的颤振预测方法预测跨音速段的颤振边界速度；与设计阶段确定的飞行包线进行对比，进行颤振安全评估；若颤振安全评估通过，则进入步骤
C
，否则重新进入步骤
A
，优化翼面外形与结构方案，进行翼面的工程颤振快速预估；步骤
C
：在已经进行的跨音速气动力修正的颤振预测方法得到的颤振边界速度基础上，进行基于
CFD
和模态法耦合的时域颤振预测；与设计阶段确定的飞行包线进行对比，进行颤振安全评估；若颤振安全评估通过，则输出最终方案，否则重新进入步骤
A
，优化翼面外形与结构方案，进行翼面的工程颤振快速预估
。2.
根据权利要求1所述的一种基于跨音速气动弹性分析的翼面优化方法，其特征在于，所述步骤
B
中的跨音速气动力修正的颤振预测方法包括以下步骤：步骤
B1
：把翼面结构离散为有限元素，求解无阻尼的自由振动运动方程，通过广义坐标变换方法，并截取有限阶模态，得到翼面各阶模态信息；步骤
B2
：根据翼面的气动外形划分非定常气动力网格，非定常气动力网格是若干个两侧边平行于来流的梯形状网格；步骤
B3
：通过求解基本方程确定气动分块上的非定常气动力分布；步骤
B4
：进行定常气动力修正，求解翼面非定常气动力；首先通过
CFD
求解得到选定动压下的翼面上下表面压力系数分布；通过插值的方法将翼面上下表面压力系数分布插值到与翼面的非定常气动力网格的网格中心点处；通过等效片条理论求解跨音速小扰动方程，这样翼型截面产生与输入定常压力分布匹配的定常压力分布；通过分解非定常跨音速小扰动方程得到剖面的压力系数，再用非定常压力系数修正，计算能够考虑跨音速激波效应或其它非线性效应的线化非定常压力，得到翼面非定常气动力；步骤
B5
：步骤
B4
中的翼面非定常气动力带入
p
‑
k
法的颤振方程，进行
p
‑
k
法颤振计算
。3.
根据权利要求2所述的一种基于跨音速气动弹性分析的翼面优化方法，其特征在于，所述步骤
B1
中，采用模态迭加法，将结构弹性振动的物理位移表示成若干个主要模态的线性组合：其中，
f
ij
为第
i
个节点的第
j
阶固有模态，
q
j
为第
j
个广义坐标，
m
为所选的模态数，从而得到翼面各阶模态信息
。
4.
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨莹，邓忠，程家林，张斌，杨文，张巍警，何岩，冀拓，
申请(专利权)人：成都飞机工业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：