考虑结构非线性CFD/CSD耦合气动弹性研究

IMECH-IR > 流固耦合系统力学重点实验室

	考虑结构非线性CFD/CSD耦合气动弹性研究
英文题名	Study of Aeroelasticity with Structural Nonlinearity Using
	黄程德
导师	杨国伟
	2017
学位授予单位	中国科学院大学
学位授予地点	北京
学位类别	博士
学位专业	流体力学
摘要	结构几何非线性和间隙非线性是现代飞行器设计关注的两类难点问题。大量轻质复合材料的使用和大展弦比机翼的设计使得飞机的柔性较大，在气动载荷的作用下产生大变形，引起几何非线性，这对气动性能和颤振特性造成不利的影响。另外，由于制造公差、磨损等因素，操纵面与执行机构的连接处往往存在间隙非线性，使得结构在低于线性颤振速度下出现极限环振荡，这对飞行操纵品质、舒适性、结构疲劳等造成不利的影响。传统结构非线性气动弹性问题主要基于线化势流理论，无法考虑粘性和跨音速流动等因素，因此，本文结合计算流体力学（CFD）和计算结构力学（CSD），发展非线性CFD/CSD耦合方法并对具有结构非线性的气动弹性问题开展研究。本文主要包含以下工作：发展高精度高效率的CFD/CSD紧耦合动气动弹性计算方法。结构运动方程分别基于龙格库塔法和精细积分算法构造具有二阶时间精度的格式，同时Navier-Stokes方程的时间离散采用二阶格式，气动与结构在物理时间步的层面上进行反复迭代交换信息直到收敛从而实现CFD/CSD紧耦合，使得流固耦合整体时间精度达到二阶。对标模445.6机翼进行颤振计算，结果表明紧耦合的时间步长可以比传统松耦合方法提高一个量级，而且计算结果比松耦合更准确。发展考虑结构间隙非线性的CFD/CSD耦合气动弹性分析方法。结构分析采用虚拟质量模态作为统一坐标架来降低分析自由度和计算量，计算表明虚拟质量法是一种高保真的降维方法。结构运动方程积分采用自适应时间步长法，切换点的捕捉和自适应时间步长的确定采用二分法，计算表明二分法能有效捕捉切换点和保证数值积分的稳定性。把结构的自适应时间步长返回到CFD求解器并进行流场动网格和非定常内迭代，从而实现CFD/CSD耦合。文中对具有间隙非线性或双线性型非线性的三维操纵面进行气动弹性分析，结果表明发展的CFD/CSD耦合方法能有效预测极限环振荡。发展考虑结构几何非线性的CFD/CSD耦合气动弹性分析方法。通过耦合非线性有限元方法和CFD方法来求解几何非线性静气动弹性问题。在非线性静平衡位置的基础上，采用线性化方法来求非线性颤振速度。文中对一类低速大展弦比机翼的几何非线性静气动弹性和颤振问题进行了数值研究，结果表明对于大变形静气动弹性问题，必须要考虑结构几何非线性；非线性颤振计算表明增加攻角，发生颤振时的变形会变大，而颤振速度和频率会下降。另外，文中还对一类翼身组合体的后掠翼跨声速几何非线性颤振进行计算。最后，本文对栅格翼的静气动弹性问题开展研究。栅格翼是具有蜂窝结构的非传统升力面，而且栅格翼是以垂直于来流的方式安装，这种安装方式增加了迎风面积和轴向力，使得栅格翼具有后仰运动的趋势。在过去的研究中，栅格翼均认为是刚体，所以在CFD计算中没有考虑流固耦合效应。然而，为了追求更优的性能，栅格翼设计的尺寸比过去更大而且重量更轻，从而使得栅格翼的柔性也变大，这样就带来了气动弹性问题。本文基于CFD/CSD耦合计算表明气动弹性效应会严重影响栅格翼的气动性能。
索取号	Phd2017-006
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/60393
专题	流固耦合系统力学重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	黄程德. 考虑结构非线性CFD/CSD耦合气动弹性研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2017.

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20176685751.pdf（9415KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文