适用于参数可调结构的非定常气动力降阶建模方法.pdf

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaJun．252017VoI．38No．6SSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn适用于参数可调结构的非定常气动力降阶建模方法王梓伊，张伟伟*西北工业大学航空学院，西安710072摘要：基于计算流体力学(CFD)的非定常气动力降阶模型(ROM)可以极大提高气动弹性分析效率，然而现有的ROM只能针对固定参数结构，即只适合于固定模态振型，这使得现有ROM在气动弹

2、性优化设计和不确定性分析等结构变参问题中应用受限。针对该问题，在文献[20]基础上提出了一种新的适用于任意模态振型的非定常气动力建模方法。首先将待设计／分析的结构进行参数化抽样和模态分析，之后通过主成分分析(PCA)得到若干基振型，再将这些基振型线性叠加即可拟合抽样空间内任何参数下结构的前若干阶振型。当结构参数改动时，仅仅是叠加系数发生变化。算例表明，仅用很少的基振型就能达到理想的拟合精度。经典的气动力降阶方法可用于基振型坐标下的气动力降阶，进一步变换可得到适用于不同结构的ROM，这意味着，结构参数可以在抽样空间

3、内任意调节改动，而ROM却是通用的。该方法能广泛用于气动弹性优化设计和不确定性分析工作，可提高颤振分析精度和效率。关键词：结构优化；参数变动；降阶模型(ROM)；跨声速流；颤振；非定常气动力中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：looo一6893(2017)06—220829—10为了提高气动弹性分析的效率，工程上常借助线化势流理论来计算气动力，然而，该方法并不适用于跨声速和大迎角的情况。由于大型客机和大型运输机等飞行器的巡航速度处于跨声速区，并且很多歼击机也需要在跨声速区保持必要的作战性能，在这种情况

4、下，基于线化理论的非定常气动力建模方法便不再适用。随着CFD技术的发展，直接基于CFD的求解方法为跨声速区气动弹性问题提供了新的解决思路，但由于该方法需要消耗大量的计算资源和时间成本，因此目前主要用作后期验证。为了降低CFD方法分析气动弹性问题的计算成本，很多学者进行了气动力降阶方法相关研究。Dowell[1]、Lucia[2

5、、张伟伟‘33和陈刚‘43等对非定常气动力降阶建模方法及其在气动弹性分析中的应用做了详细论述。可以看到，在非定常气动力降阶中，主要应用了两种方法：本征正交分解(ProperOrthogon

6、alDecomposition，POD)法和系统辨识方法。系统辨识方法包括积分方法和差分方法，比如Volterra级数方法属于积分方法，而ARX(AutoRegressivewitheXogenousinput)模型则属于差分方法。在文献[5—7]中，基于ARX模型的非定常气动力降阶建模方法已经应用于带操纵面机翼的跨声速颤振分析口]、大迎角颤振分析[6]、跨声速颤振主动抑制控制率设计‘7]等实际问题。在文献[8一lo]中，非定常气动力降阶建模方法已经应用于跨声速极限环振荡分析。在这些分析中，非定常气动力降阶模型(

7、ROM)(如PODL8J、Volterra级数[9。、ARX模型[10])是静态非线性、动态线性的，极限环振荡的非线性来源收稿日期：2016-10—01；退修日期：2016—11—21；录用日期：2017．01．05；网络出版时间：2017．01．0915：50网络出版地址：wwwcnnnet／kcms／deta¨／11．1929．v．20170109．1550．008．htmI基金项目：国家自然科学基金优秀青年基金(11622220)；西北工业大学研究生创意创新种子基金(z2016002)*通讯作者．E—mai

8、l：aeroelastic@nwpuedu．cn嘲甩格武lI梓伊t张伟伟．适用f参数可调结构的非定常气动力降阶建模方法￡J]÷航空学报．2017．38(6)：220829．wANGZY．ZHANGww．unsteadyaerod”amicreduced-ordermode油gmet№dforoarameterchangeablestm^lure!J]．ActaAeronaut

9、caetAstronauticaS．nica，2017，38(6)：220829i220829．1航空学报于结构的非线性。对于跨声速流动中

10、小振幅的颤振分析，这些非定常气动力降阶模型是适用的。在文献[11—15]中，径向基函数神经网络模型已经用于构建跨声速流动中动态非线性的非定常气动力降阶模型。这些非定常气动力降阶模型成功预测了结构线性、气动力动态非线性的极限环振荡。尽管取得很大进展，但上述ROM方法只能针对给定结构。当结构发生改动时，模态频率和模态振型一般都会随之变化。目前，模态坐标下的气动力模型能够适应模