氢动力无人机大展弦比机翼静气弹特性分析.pdf

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1、2017年8月第43卷第8期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsAugust2017Vel．43NO．8http：／／bhxb．buaa．edu．(3njbuaa@buaa．edu．anDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2016．0611氢动力无人机大展弦比机翼静气弹特性分析郝帅1，马铁林2一，(1．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083；甘文彪2，李根12．北京航空航天大学无人系统研究院，北7q．100083)摘要：以氢动力超长航时无人机(U

2、AV)为背景，针对其大展弦比轻质复合材料机翼，采用强耦合方法求解了几何非线性变形下的静气弹特性，对比了弹性机翼与刚性机翼的气动性能，并在此基础上，给出了一种刚性机翼的弹性气动力修正方法。结果表明：相比刚性机翼，弹性机翼巡航状态下的升阻比降低3．2％，滚转力矩导数和偏航力矩导数显著增大，对飞机的气动性能产生不利影响；基于刚性计算结果，对大展弦比机翼进行气动修正，是一种有效的大展弦比轻质机翼气动分析思路。关键词：氢动力无人机；大展弦比机翼；静气动弹性；流固耦合；气动修正中图分类号：V211．41；V211．47文献标识码：A文章编号：1001-5965(2017)08—16

3、70-07氢动力无人机是以氢能源作为动力的飞行器，具有绿色无污染、续航时间长、有效载荷大、受环境影响小的特点，近年来，越来越受到人们关注。为了实现超长时间续航(一周以上)，典型氢动力无人机(如“鬼眼”和“全球观察者”。1-2])往往采用分布式推进的大展弦比上单翼布局，其机翼展弦比很大(大于20)，翼载荷较低，约为15～30kg／m2(介于大展弦比常规动力飞机与太阳能飞机之间)，具有双梁结构形式。为减轻结构重量，这种大展弦比机翼往往采用轻质高性能碳纤维增强复合材料；其翼盒作为主要受力结构，来承担大部分弯矩和所有剪力；蒙皮除传递扭矩外还要承担部分弯矩；翼肋仅有传递载荷、支撑

4、蒙皮的作用。由于展弦比过大，在飞行受载时，这种机翼的结构可能发生严重变形，其静气动弹性特性变得突出。一方面，在气动载荷作用下，机翼容易产生严重的弯扭变形，变形后的结构平衡态相对于刚性结构差异明显，具有几何非线性特征；但是，机翼局部翼载并不大，结构内部的应变仍满足小变形假设，应力和应变维持线性本构关系。另一方面，结构平衡态下的几何非线性变形反作用于机翼，使其气动载荷发生显著变化，甚至可能使飞机气动性能恶化，严重影响飞行安全。因此，亟待以氢动力无人机为背景，对这种大展弦比机翼进行较深入的静气弹特性分析。针对大展弦比机翼的静气弹问题，国内外已广泛开展了研究。Patti等。31

5、采用非线性梁理论和ONERA气动力模型，开展了大展弦比机翼的静气弹和动气弹研究。Wang等¨1采用非线性梁理论和改进的非定常涡格气动力模型，进行了大展弦比机翼的非线性气动弹性分析。近年来，随着计算技术的发展，流固耦合(CFD／CSD)求解逐渐成为气弹分析的主流方法之一∞。。。Allen和Rendall¨。发展了一种基于径向基函数(RBF)的CFD／CSD耦合插值方法，对Brite．EnramMDO机翼进行了气动弹性分析。Garcia"1采用一种松弛收稿日期：2016-07-20；录用日期：2016一10-21；网络出版时间：20t6—1l—1610：lO网络出版地址：W

6、WW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20161116．1010．002．htrnl基金项目：航空科学基金(10200002014129002)$通讯作者：E—mail：matielin@buaa．edu．an；f用格式：郝舶，马铁林，甘文彪，等．氢动力无t人机天震弦比祝翼静气弹特性分析fJJ．北京航空航天大学学报，2017，43f8)：1670-1676．HAOS，MATL，GANWB，etalStaticaeroelasticcharacteristicsanalysisofhigh—aspect-ratiowingforhydroge

7、n-poweredUAVCj3。JournalofBeltingUniversityofAeronauticsandAstronautics．20t7，43(8)：1670．t676(inChinese)．第8期郝帅，等：氢动力无人机大展弦比机翼静气弹特性分析1671技术来提高CFD／CSD强耦合静气弹计算的效率。Carnie和Qin¨叫应用FLUENT和ANSYS的接口程序，对大展弦比机翼进行了静气弹分析。Heinrich和Kroll¨¨通过插值进行数据交换，完成静气弹和动气弹的计算。马铁林和张华¨2。13。等应用FLUENT／NAST