基于CFD/CSD的机动过程中飞行器气动弹性数值模拟研究

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现代飞行器的机动飞行过程主要由设定的飞行控制系统处理,由于飞行器存在着结构弹性振动,飞控系统驱动舵面偏转时,舵面除了自身偏转的低频信号,还反馈了弹性振动引起的高频信号,这个附加高频非定常舵面激励带来了结构的进一步弹性振动。这种气动/结构/控制等几者相互耦合使得飞行器设计遭遇新的气动弹性问题,在飞行器设计过程中,如果忽略控制系统,去单独研究飞行器的气动弹性是远远不够的,还必须考虑弹性飞行器与控制系统相互作用下的气动弹性问题。为此,本文针对飞行器机动状态下气动弹性响应问题,开展了CFD/CSD方法同控制系统相耦合的研究,发展了基于CFD/CSD的机动过程中飞行器气动弹性数值模拟方法。本文首先介绍了数值计算方法,包括流动控制方程及其空间离散、时间离散、边界条件以及湍流模型;然后介绍了气动弹性数值模拟方法,采用线性模态叠加方法求解结构动力学方程,飞行器的变形采用Delaunay图映射动网格方法,气动网格与结构网格之间信息交换采用无限平板样条法、常体积转换法等进行处理,CFD/CSD耦合策略中采用改进松耦合方法;之后发展了机动飞行中飞行器气动弹性响应问题的数值模拟方法,在动态网格上耦合求解流动控制方程、结构动力学方程以及控制方程,其中飞行器各部件的相对运动采用重叠网格方法,通过六自由度运动方程处理飞行器的刚体运动。通过多个算例对发展的方法进行考核验证,结果表明该方法可以高效、精确模拟开环控制下飞行器运动响应过程中的气动弹性特性。
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