氣動彈性的案例
無人機氣動彈性與控制綜述
張忠源1，段靜波2，路 平1
(1.陸軍工程大學石家莊校區 無人機工程系，石家莊 050003；2.石家莊鐵道大學 工程力學系，石家莊 050003)
摘要：圍繞無人機靜氣動彈性、柔性無人機的氣動彈性分析、氣動彈性非線性和氣動彈性主動控制幾個方面對無人機氣動彈性研究現狀做了分析總結，闡述了氣動彈性學科分類和相應特點。
關鍵詞：氣動彈性；無人機；穩定性；主動控制
隨著飛行器設計的需要，基于線性理論的三維非定常氣動力的計算成為迫切研究的重點，三維非定常氣動力的計算比二維計算難度要大得多，R Palacios等[7]運用三維歐拉方程建模，實現了空氣動力學和結構力學的詳細的三維表示；Z Sotoudeh[8]對高空長航時柔性無人機進行氣動彈性分析，開發了一套專門應用于此類無人機的計算程序，可以在較短時間內得到氣動彈性分析結果，為柔性無人機設計提供了便捷。D Tang[9]將柔性機翼的氣動彈性分析與風洞試驗相結合，介紹了一種彈性載荷作用下柔性大展弦比翼型氣動彈性模型的理論氣動彈性模型。
近年來無人機由于其有體積小、造價低、使用方便、對作戰環境要求低、戰場生存能力較強等優點，發展迅速(見圖1)。因此更高性能的無人機開始出現，遇到的氣動彈性問題也越來越突出，在進行無人機外形與結構設計時，解決或減少氣動彈性帶來的負面影響，成為了航空工程師們越來越迫切解決的難題。尤其非線性問題，包括無人機結構非線性和空氣動力非線性等，加大了無人機設計時氣動彈性方面的難度。氣動彈性力學需要考慮空氣動力的同時還需考慮材料結構的特性，因此氣動彈性力學是一門具有很高難度和復雜度的交叉科學。
展開 CFD學習：氣動彈性顫振分析
作者Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
氣動彈性顫振是作用在飛機上的空氣動力載荷導致其振動或振蕩時的一種現象。
空氣動力載荷和結構變形之間的正反饋回路會導致飛機顫振。
流體-結構相互作用的 CFD 模擬建立了氣動載荷與結構變形之間的關系，以幫助識別潛在的顫振風險。
飛機結構和氣流條件對氣動彈性顫振分析有重大影響
飛機結構在飛行過程中與周圍氣流相互作用時會受到各種空氣動力和力矩。該飛機旨在承受這些動態載荷以保持飛行穩定性。然而，在某些條件下，這些空氣動力載荷會導致飛機振動或擺動，從而引起稱為顫振的現象。
氣動彈性顫振是飛機設計中的一個重要問題，因為它容易導致結構失效。一種緩解策略是氣動彈性顫振分析，它可以提供有關顫振行為的更多詳細信息，并確定確保飛機安全所需的設計變更。
在本文中，讓我們進一步了解顫振的概念以及氣動彈性顫振分析在飛機性能中的重要性。
什么是氣動彈性顫振？
氣動彈性顫振是由于氣動載荷與結構之間的相互作用而在飛行器中發生的高頻振動。當飛機在空中移動時，空氣動力可能導致飛機結構變形。反過來，施加到結構上的空氣動力載荷也會發生變化?？梢杂袃煞N類型的更改：
氣動載荷與結構之間的反饋回路相互作用
正反饋回路
結構變形導致氣動載荷增加，進而導致進一步變形，從而進一步增加氣動載荷。
循環一直持續到飛行器達到不受控制的振動或振蕩階段。
展開 案例分享 | 氣動彈性協同仿真飛行載荷工具包
作為公認的飛機載荷、流體動力學及氣動彈性領域的領先專業廠家，斯特林動力公司已通過全球航空航天質量標準 AS9100 認證，并且是 ITAR（國際武器貿易條例）管制委員會的成員。
簡介
作為英國 NATEP（國家航空航天技術計劃）倡議的一部分，斯特林動力公司與 MSC軟件（英國）合作開發出一種用于飛機載荷的非線性氣動彈性工具包（參考文獻 1），并由最終用戶 BAE Systems 提供支持。通常會采用線性飛機模型來進行飛機載荷評估（例如陣風和機動載荷），但只將其視為一種可接受的分析手段，其中包括用非線性項改進建模精度和可靠性。通常只有那些定制開發出自有工具包的大型航空航天 OEM 廠家才擁有非線性氣動彈性解決方案。目前大多數飛機公司（兩家最大的 OEM 廠家除外）在進行處理時均基于線性假設，并已被認證機構認可作為飛機設計過程中生成陣風和機動載荷的合規手段。
由于通常認為線性模型過于保守，因此會使較小的 OEM 廠家處于不利地位。斯特林動力公司的項目目標是開發自己的內部工具包。與此同時，作為同一計劃的一部分，MSC 軟件（英國）的工具開發目的是開發商用產品。后面幾節將對 MSC 的開發工作進行詳細說明。
MSC 軟件協同仿真 CFD—FEA 組合
氣動彈性 CFD 機動工具包的主要特點在于它基于廣泛使用的 MSC Nastran 來進行有限元結構分析，采用 Cradle 的 scFLOW 處理計算流體動力學，輸入則由最終用戶 BAE Systems 提供。該工具可提高非線性氣動彈性效應的逼真度，這種效應會影響飛機在廣泛的實驗設計（DoE）設計空間中所承受的載荷。
展開 NASA被動氣動彈性剪裁機翼完成第二輪載荷試驗
02
被動氣動彈性剪裁（PAT）機翼在最高試驗載荷下的彎曲狀態。
在10月開展的第二輪載荷試驗初期，發現機翼具有比預想更好的變形性能，因此，團隊對試驗參數進行了一些修改。
試驗中一個令人驚喜的意外收獲是，絲束牽引技術使得翼尖向前緣偏轉。從氣動角度來看，將載荷轉移到機翼結構較厚部位，有利于被動地減輕陣風載荷的影響。
03
工作人員在監測被動氣動彈性彈性（PAT）機翼的測試過程。
米明格希望盡快將機翼由當前約30%縮比擴大到全尺寸，以便從商業運輸的角度評估其優勢。最終，使用PAT機翼可以節省的燃料量將決定其最終的價值，一般而言，增加機翼展長也會帶來結構重量的增加，但絲束牽引技術可以讓機翼獲得減阻和減重的綜合效益，從而轉化為燃油效率的優勢。
阿姆斯特朗飛行負載實驗室首席測試工程師拉里哈德森（Larry Hudson）表示，這項研究的另一個很重要的收獲是，讓研究團隊掌握了高度柔性、大展弦比機翼的試驗方法，學會了如何使用特殊的架空加載系統（overhead loading system）來達到預期的試驗目標，掌握了應對高度柔性機翼在試驗中翼尖會產生較大位移的方法，這使得該團隊有能力對其他柔性機翼開展類似的試驗。
該項目由NASA航空研究任務事務部的先進航空運輸技術（AATT）項目資助。
展開 
NASA完成被動氣動彈性剪裁機翼第一階段載荷試驗
據NASA網站2018年9月27日報道，被動氣動彈性剪裁（PAT）機翼已在NASA阿姆斯特朗飛行研究中心完成了第一階段載荷試驗，使用專門設計的高展弦比、輕質機翼試驗模型，進行了兩組結構試驗，從而驗證了新的機翼設計和制造方法。
NASA“先進航空運輸技術”計劃技術負責人、弗吉尼亞州NASA蘭利研究中心的凱倫·塔明格（Karen Taminger）解釋說，被動氣動彈性剪裁（PAT）機翼展長更大、更薄，從而可以最大限度地提高結構效率、減輕重量并提高燃油效率。塔明格說：“這是第一次制造具有如此復雜度的牽引式復合材料機翼。機翼展長39英尺，試驗模型的尺寸是真實機翼的27％，預計試驗中翼尖將產生6到8英尺的位移或彎曲。由于阻力和重量的減少，機翼效率也將高于傳統機翼。”牽引轉向復合材料技術是一種碳纖維鋪設方式，可用于制造機翼蒙皮，通過結構設計被動地控制機翼顫振或振動、減緩陣風載荷的影響，提高乘客舒適度。
第一階段試驗已于2018年9月17日在位于加利福尼亞州的阿姆斯特朗飛行研究中心結束，PAT機翼技術人員在試驗模型中安裝了11000個傳感器，阿姆斯特朗飛行負載實驗室首席測試工程師拉里·哈德遜（Larry Hudson）稱其為“測試過的儀器化程度最高的機翼”。此次試驗，解決了試驗夾具、方法和儀器等多方面的難題。
工作人員正在進行被動氣動彈性剪裁機翼試驗準備工作。
按照塔明格所說，因為安裝了大量的傳感器，模型具有很強的試驗能力，有助于驗證結構具有以往不具備的性能。
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基于TSDT與DQM的高階氣動彈性求解器：復合材料變剛度/變厚度非線性顫振分析
針對傳統商業有限元在處理變剛度復合材料（VSCL）與變厚度幾何時存在的網格畸變、計算耗時長、非線性極易發散等痛點，本人開發了一套基于 MATLAB 的高階半解析氣動彈性求解器。
本求解器直接基于連續介質力學方程進行離散，可實現復合材料板殼/懸臂翼面的極速參數掃描與深區非線性分岔追蹤?，F分享部分計算結果，并承接相關復雜工況的定制計算與數據圖表輸出。
一、 核心理論框架
結構本構： 采用三階剪切變形理論（TSDT），精準計及蜂窩軟芯等夾層結構的橫向剪切效應，避免一階理論（FSDT）的非保守性誤差。
氣動模型： 基于超聲速一階活塞理論。
數值離散： 采用梯形/任意四邊形域等參映射，結合算子化微分求積法（DQM），以極少的網格節點實現高精度全局離散，徹底消除有限元長寬比災難。
二、 求解器核心功能邊界
復雜特征兼容： 支持曲線纖維變剛度路徑空間分布、支持展向厚度漸縮/雙楔形截面、支持各種經典邊界條件（懸臂、簡支等）。
線性頻域分析： 極速提取復特征值，繪制高分辨率 V-g / V-f 根軌跡圖。支持多約束下的全參數空間顫振邊界尋優。
非線性時域分析（核心優勢）： 基于 von Kármán 大變形假設，采用時域雙軌分岔追蹤法?？煞€定提取極限環振蕩（LCO）幅值分岔拓撲。
深區高維相空間分析： 支持深度超臨界區的高次諧波 FFT 分析、繪制龐加萊截面、捕捉吸引盆分裂與模態躍遷。
三、 業務對接
本求解器運行效率極高，單工況特征值提取僅需數秒。
如果您課題組遇到商業軟件不收斂、或者急需底層數據支撐機理分析，歡迎私信聯系。
展開 長航時無人機關鍵技術研究進展
.機翼、機身和尾翼通過邊界協調條件實現各部件的相互連接.因此對機翼建立準確的非線性氣動彈性模型尤為關鍵.建立大展弦比機翼氣動彈性模型需要耦合結構模型和氣動模型，常用的結構和氣動模型如圖9所示.
FLUENT動網格案例之十一：基于動網格算法的二維剛性截面機翼簡諧振動氣動特性分析 ￥99
二維剛性截面機翼扭轉振動流體力仿真分析
氣動彈性問題一直是流固耦合現象研究的重要課題，而二維剛性截面的機翼扭轉振動則是氣動彈性研究最基本的入門案例。如下圖所示，圓形的計算域內，邊界上為壓力遠場，為了減小動網格計算量，靠近機翼的內部區域為彈簧光順和網格重生成區域，外部則為靜止網格。經過兩次放大后可以看出二維非結構的三角形網格也可以有很高的網格質量。
為了對作簡諧振蕩運動的Naca翼型的氣動特性（升力系數，阻力系數和力矩系數）進行數值計算，來流速度為V， 攻角的變化規律為：Alpha（t）=A/2*sin(omega*t)，其中，A=10度，omega=10*pi 弧度/秒。剛體運動UDF實現翼型的俯仰運動，由于在FLUENT的UDF中只能指定速度，角速度；所以，需要將攻角對時間求導，得到轉動角速度的規律：D（alpha）/dt=A*omega/2*cos(omega*t)
動網格實現結果
氣動彈性研究的對象已經從簡單的單翼，拓展到襟翼，前緣縫翼，副翼，翼梢等現代大型客機的機翼結構，感興趣的同學可以留言，希望研究的飛機氣動彈性課題內容。
文件列表
展開 
NX Nastran簡介
氣動彈性和顫振分析
? Superelements（超單元）
超單元模塊在求解超大的復雜有限元模型時具有關鍵的作用，它可將大型結構分解為較小的同等子結構集合，這些子結構稱為超單元。該模塊可用于所有NX Nastran 分析功能，在大型的完整系統分析中特別高效，例如整架飛機、車輛或者輪船；同時該模塊可執行增量或者部分裝配求解，大大提高了運算效率。
? Dynamic Response（動力響應）
動力響應模塊可在時間和頻率領域內評價產品性能。結構動力學分析是Nastran的最強項之一,方法有直接積分法和模態法，可考慮各種阻尼 (如結構阻尼、材料阻尼和模態阻尼)效應的作用。主要分析類型有：
1. 頻率響應分析
2. 瞬態響應分析
3. 隨機振動響應分析
4. 沖擊譜響應分析
? Aeroelasticity（氣彈分析）
氣彈分析模塊可預測產品結構性能在風場中的動力穩定性和動態 響應，氣動彈性問題涉及氣動、慣性及結構力間的相互作用，可以進行飛機、導彈、懸索橋、電視發射塔甚至煙囪和高壓線的氣動彈性分析和設計。氣動彈性分析功能主要包括：
1. 靜態及動態氣彈響應分析
2. 結構顫振分析
3. 氣動彈性設計靈敏度和優化
4. 亞音速和超音速分析
? Advanced Nonlinear（高級非線性）
高級非線性模塊集成了世界最先進的ADINA解算技術，包括 隱式求解器Sol 601和顯式求解器Sol 701，支持分析類型包括：
1. 1、材料非線性，例如
-- 墊圈(Gasket)材料、超彈性材料
-- 粘彈性材料、彈塑性材料
2. 幾何非線性，接觸問題，例如面接觸、自接觸等
? Rotor Dynamics（轉子動力學分析）
轉子動力學分析主要解決旋轉機械的動力設計，振動分析，故障診 斷等問題。
展開 機翼模型的振動模態分析
如飛行中氣動彈性頻率與之接近則需要改進飛機機翼的設計，避開發生此種變形的振動區域。
結 論
不同的振動頻率下，機翼的模態不同，變形的種類不同，變形大小不同。實際設計翼型時，需要考慮飛行環境中氣動彈性的頻率，避免機翼發生過大的變形影響飛行安全。對于本文中的翼型，應避免三階和五階振動下飛行環境，如果氣動彈性頻率在此范圍內就需要更改翼型的設計，并進行分析。
來源：CAE技術聯盟微信公眾號（ID：caejslm），檢索發現最早發布于百度文庫，由yingsun008分享。
NX NASTRAN 介紹
設計靈敏度 和優化分析支持的分析類型包括：
靜力分析
模態以及屈曲分析
瞬態響應、頻率響應
氣動彈性和顫振分析
Superelements（超單元）
超單元模塊在求解超大的復雜有限元模型時具有關鍵的作用，它可將大型結構分解為較小的同等子結構集合，這些子結構稱為超單元。該模塊可用于所有NX Nastran 分析功能，在大型的完整系統分析中特別高效，例如整架飛機、車輛或者輪船；同時該模塊可執行增量或者部分裝配求解，大大提高了運算效率。
Dynamic Response（動力響應）
動力響應模塊可在時間和頻率領域內評價產品性能。結構動力學分析是Nastran的最強項之一,方法有直接積分法和模態法，可考慮各種阻尼 (如結構阻尼、材料阻尼和模態阻尼)效應的作用。主要分析類型有：
頻率響應分析
瞬態響應分析
隨機振動響應分析
沖擊譜響應分析
Aeroelasticity（氣彈分析）
氣彈分析模塊可預測產品結構性能在風場中的動力穩定性和動態 響應，氣動彈性問題涉及氣動、慣性及結構力間的相互作用，可以進行飛機、導彈、懸索橋、電視發射塔甚至煙囪和高壓線的氣動彈性分析和設計。氣動彈性分析功能主要包括：
靜態及動態氣彈響應分析
結構顫振分析
氣動彈性設計靈敏度和優化
亞音速和超音速分析
Advanced Nonlinear（高級非線性）
高級非線性模塊集成了世界最先進的ADINA解算技術，包括 隱式求解器Sol 601和顯式求解器Sol 701，支持分析類型包括：
材料非線性，例如
-- 墊圈(Gasket)材料、超彈性材料
-- 粘彈性材料、彈塑性材料
幾何非線性，接觸問題，例如面接觸、自接觸等
Rotor Dynamics（轉子動力學分析）
轉子動力學分析主要解決旋轉機械的動力設計，振動分析，故障診 斷等問題。
展開 飛機設計師是如何解決復雜的顫振難題的？
▲無人機顫振解體
氣動彈性力學中，顫振是彈性體在氣流中發生的不穩定振動現象。飛機顫振是作用在機翼、尾翼等結構上的非定常空氣動力、慣性力以及彈性力耦合引起的振幅不衰減的自激振動。顫振屬于氣動彈性穩定性問題，具有多種現象形態，就其空氣動力方面發生的原因而言，顫振問題可分為兩大類。第一類是發生在勢流中，流動分離和邊界層效應對顫振過程沒有重要影響，通常稱為經典顫振。第二類是與流動分離和漩渦形成有直接關系，可稱為失速顫振。
20世紀70年代起，寬頻帶伺服控制系統開始應用于飛機。隨著現代飛機柔性的增大，飛機系統與飛行控制系統之間耦合變得不可忽略，飛機結構彈性振動信號與剛體運動信號一起被傳感器接收，經飛行控制系統處理后驅動舵面偏轉，偏轉產生的氣動力變化激勵機體產生振動，也會影響飛機的顫振特性，這類現象可稱為氣動伺服彈性。
飛機一旦在空中發生顫振，會在極短的時間內導致結構毀滅性的破壞，飛行員幾乎沒有處置時間，因此飛機飛行包線內不容許發生顫振現象，對于民用飛機來說，對顫振的要求更為苛刻，須通過大量的理論分析、風洞試驗、地面試驗以及顫振試飛來驗證飛機滿足適航條款的規定。
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