考虑几何非线性效应的大柔性太阳能无人机静气动弹性分析-论文.pdf

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1、2014年8月西北工业大学学报Aug．2014第32卷第4期JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversityVol_32No．4考虑几何非线性效应的大柔性太阳能无人机静气动弹性分析王伟，周洲，祝小平，王睿／1．西北工业大学无人机特种技术重点实验室，陕西西安＼2．西北工业大学无人机研究所，陕西西安710065摘要：大柔性太阳能无人机在气动力的作用下产生较大的弯曲变形，引起气动载荷的重新分布及作用方向的改变，线性理论难以获得足够的精度。基于共旋转有限元理论，推导了

2、几何非线性空间梁单元的切线刚度矩阵和内力求解格式，几何精确的描述了无人机机翼结构的几何非线性弹性变形；编写了空间共旋坐标有限元求解代码，利用计算流体力学软件FLUENT计算气动力，构造了流固耦合求解器；研究了类“太阳神”布局太阳能无人机几何大变形下的静气动弹性响应问题。研究结果表明：无人机受载变形后导致升阻比降低，翼尖弯曲变形为展长的13％时，升阻比降低4．2％，滚转力矩导数增加了300％，偏航力矩导数增加了350％；几何非线性效应改善了气动载荷在展向的分布，有利于机翼结构设计。研究工作对大柔性太阳

3、能无人机的设计具有一定的参考意义。关键词：几何非线性，CR理论，柔性结构，横航向稳定性，静气动弹性，太阳能无人机中图分类号：V211．47文献标志码：A文章编号：1000-2758(2014)04—0499—06太阳能无人机能够完成大范围、长时间的大气与实际严重不符J。因此，这类大变形无人机的结环境探测、军事侦查和通信中继任务，并在各国频频构建模必须考虑大位移、大转角等几何非线性特征。传出新的研究进展lJ。这类无人机一般具有较大目前，大柔性机翼的几何非线性结构模型主要的展弦比、较低的结构面密度等特点

4、，比如“太阳有Hodges．Dowell理论梁模型和基于TotalLagrange神”太Ittt无人机的展弦比达到31，而常规动力的(TL法)、UpdatedLagrange(UL法)和共旋坐标法高空长航时无人机“全球鹰”的展弦比为25，并且两(CR)的有限元模型。其中，在NASA的资助下，基者的机翼结构面密度分别为3．2ks／in和53kg／m。于Hodges．Dowell非线性梁模型的高空长航时太阳能无人机的大展弦比、轻质结构设计特点使其(HALE)飞机非线性气动弹性配平及稳定性计算代在飞行中产

5、生明显的机翼结构静变形，如“探路者”码(NATASHA)的开发得到了一定的发展，可以预太阳能无人机平飞时机翼上翘量超过半展长的测飞翼布局HALE飞机的气动弹性响应特性，但变12％，“太阳神”在极限飞行状态下的机翼上反角可形的计算需要预先求解结构内力⋯。。；传统的TL法达到50。[3-41。2003年6月，加装实验设备的Helios变形前后单元坐标系保持不变，无法考虑变形后结无人机飞行时，在低空出现振荡导致全机解体坠毁。构状态的影响；UL法中单元两端坐标转换矩阵不一2004年1月，NASA发布的事故调

6、查报告中提出继致，也无法考虑弯曲变形的影响；因此，这2种方法续研制这种无人机，并着重强调了对这种无人机非通常需要增加载荷步以提高求解精度，从而显著增线性气动弹性特性分析方法的研究。扭转变形加计算时间。CR有限元法是近年来发展起来的新较小时，采用线弹性结构模型模型研究静气动弹性的几何非线性计算方法，主要思想是：把结构的运动问题，气动力随挠度的增大而单调增加，变形略大时分解为纯粹的弹性变形和刚体的平移及转动，位移-收稿日期：2013—11．08基金项目：国家自然科学基金(11202162、l130217

7、8)资助作者简介：王伟(1988一)，西北工业大学博士研究生，主要从事无人机总体设计、气动弹性学研究。·5o0·西北工业大学学报第32卷应变关系建立在局部坐标系内，不像传统的TL法1．1坐标系的建立那样从非线性位移一应变关系出发来推导切线刚度坐标转换矩阵是单元坐标系与总体坐标系之间矩阵，并且具有更高的求解精度和计算效率j。的联系纽带，为了较精确地描述坐标系转换矩阵，本因此，本文针对大柔性太阳能无人机机翼结构的大文引入总体坐标系、节点坐标系i、单元平均构位移、大转动、小应变特征，通过建立节点随动坐标形

8、坐标系“和单元坐标系u。。系和单元随动坐标系，推导了基于CR有限元理论的切线刚度矩阵、内力求解格式及增量平衡方程，编写了基于CR有限元理论的几何非线性结构静力学求解代码；气动载荷在3个方向上进行积分，以描述结构大变形引起的气动载荷作用方向的改变。1大柔性结构几何非线性静力学建模大柔性无人机机翼可以用柔性梁模型来描述圳，因此本文选择空间CR梁单元建立大柔性太图1柔性结构变形示意图阳能无人机的结构模型。采用有限元技术对大柔性结构建模时，其计算精度主要取决于刚度矩阵和坐当结