大展弦比大柔性机翼载荷分布求解的一种方法

《大展弦比大柔性机翼载荷分布求解的一种方法》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMar252016Vol37No．3799．809ISSN1000-6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．ca大展弦比大柔性机翼载荷分布求解的一种方法段静波1’2’*，周洲1，王伟1，江涛2，王睿11．西北工业大学航空学院，西安7100722．军械工程学院无人机工程系，石家庄050003摘要：大展弦比大柔性机翼在气动力作用下产生较大的弯曲和扭转变形，会引起明显的气动载荷重新分布。基于一种只具有2个广义转角自由度的梁单元模型，提出了一种大

2、展弦比大柔性机翼载荷重新分布的新方法。该方法将大柔性机翼弯曲变形的几何非线性问题转化为线性问题，同时，基于弯曲变形结果，可在局部坐标系下进行机翼扭转变形求解，避免了整体坐标系下扭转变形的几何非线性问题。综合来看，该方法可将具有明显几何非线性效应的大展弦比大柔性机翼的载荷重新分布问题转化为线性问题，且计算量小，效率高，非常适合工程实用。通过与大柔性悬臂粱解析解的对比，验证了本文方法的正确性和有效性。关键词：大展弦比；大柔性机翼；气动载荷重新分布；几何非线性；广义梁单元中图分类号：V211．47文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)03—0799一11太阳能无人机

3、由于具有超长的留空时间，越来越受到各国的重视和青睐。然而，太阳能无人机质量轻、结构面密度低，机翼具有大展弦比大柔性的特点，在飞行载荷作用下机翼弯曲和扭转变形很大，平衡态相对于未变形结构有明显的几何差异。例如，美国的太阳能无人机“太阳神”翼展长达75．31TI，展弦比高达31。这不仅带来了无人机气动弹性的非线性效应，而且导致气动弹性对载荷分布的影响很大，即气动载荷的重新分布问题非常突出。因此，准确计算气动弹性下太阳能无人机机翼的载荷重新分布，对于提高太阳能无人机设计水平有着重要的意义。机翼结构弹性变形后的气动力重新分布属于静气动弹性问题研究的范畴。目前，线性静气动弹性分析方法以

4、MSC．Flightloads[13为代表，基于结构小变形假设，利用线性结构有限元方法考虑弹性变形，采用平面偶极子格网法计算气动力，通过求解气动弹性线性方程组得到载荷重新分布结果。研究表明，当机翼变形较小时，采用线性气动弹性分析方法会得出气动力随机翼挠度增大而单调增加的结论[2]。随着机翼变形的继续增大，这一结论与实际严重不符。因此，对于大展弦比大柔性飞机机翼的气动载荷重新分布问题必须考虑机翼大位移、大转角等几何非线性效应。2003年，“太阳神”无人机飞行时，低空出现振荡导致全机解体，NASA发布的事故调查报告中提出研制这种无人机需着重研究其非线性气动弹性特性[3]。国内外学

5、者在这方面开展了相对较多且卓有成效的研究工作。Patil等[4嵋3结合大变形几何非线性梁理论和ONERA气动力模型研究了几何非线性效应对大展弦比柔性机翼的静气动弹性行为的影响。谢长川等口。1叩分别采用推广的片条收稿日期：2015-03—27；退修日期：2015-04．21：录用日期：2015—05．08：网络出版时间：2015．05．1411：05网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V20150514．1105．001．htmI基金项目：国家自然科学基金(11202162)；中国博士后科学基金(2014M560803)-75通讯作者

6、．Tel．：0311-87994825E-mail：duanjingbo@nudtedu．cn弓

7、角撂武

8、段静波。周溯。王伟，等．大展弦比大柔性机翼载荷分布隶解的一种方法iJI．航空学摄．2016，37(3)：799．809．DUANJB．ZHOUZ·WANGW，eta1．Amethodforaercelasticloadredistributionofveryflexiblewingwithahigh—aspect-ratio!JjActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2016，37(3)；799—809．航空学报Mar．252016VoI

9、37No．3理论及三维升力线理论对梁式机翼进行了非线性静气动弹性计算。周洲等n卜123基于共旋转有限元理论推导了几何非线性空间梁单元的切线刚度矩阵和内力求解格式，几何精确地描述了柔性机翼的几何非线性弹性变形，并利用计算流体力学(CFD)软件Fluent计算气动力，从而进行流固耦合求解。Palacios与Cesnik[13]则采用计算结构力学(CSD)与计算流体力学耦合计算的方法研究了大展弦比机翼的非线性静气动弹性响应问题。张健和向锦武[14。163采用完全非线性梁模型和气动力的ONERA方法也对大柔性飞