主动气动弹性机翼技术分析

摘要我们看到任何一架飞机，首先注意到的就是气动布局。

飞机外形构造和大部件的布局与飞机的动态特性及所受到的空气动力密切相关。

关系到飞机的飞行特征及性能。

故将飞机外部总体形态布局与位置安排称作气动布局。

简单地说，气动布局就是指飞机的各翼面，如主翼、尾翼等是如何放置的，气动布局主要决定飞机的机动性，至于发动机、座舱以及武器等放在哪里的问题，则笼统地称为飞机的总体布局。

飞机的设计任务不同，机动性要求也不一样，这必然导致气动布局形态各异。

现代作战飞机的气动外形有很多种，平直机翼布局、后掠翼布局、变后掠翼布局、无尾翼布局、鸭式布局、三翼面布局、前掠翼布局等。

而以巡航姿态为主的运输机等大型飞机，其气动布局就相对比较单一，主要以常规布局为主关键词：翼型；尾翼；气动外形；空气动力目录引言 (1)一、现代飞机常见气动外形 (2)（一）作战飞机气动外形 (2)（二）非作战飞机气动外形 (7)二、国内飞机常见气动外形 (7)（一）作战飞机气动外形 (7)（二）非作战飞机气动外形 (9)三、飞机气动外形发展 (11)（一）作战飞机气动外形的发展 (11)（二）非作战飞机气动外形的发展 (11)四、我国大飞机气动布局设计的发展建议 (15)致谢 (17)参考文献 (18)引言自从莱特兄弟发明第一架飞机以来，航空科技一直伴随着科技革命的推进迅速发展，由于该行业属于技术密集型，因此也使得航空科技一直云集着该时代最先进的科技成果，和众多的行业精英。

因此航空技术往往代表着一个时代的科技水平，也促进和引领着科技进步。

而一个时代的航空科技水平则主要体现在该时期的航空器上，飞机作为数量最多、最为常见的航空器，当然代表着一个时代航空科技的水平。

而一个时代飞机的技术水准，则直观的体现在飞机的气动外形上。

从飞机的气动外形我们就可以看出：这个时代航空科技的总体水平，这个时代的设计理念，甚至这个时代的军事政治战略格局等等。

因此，研究飞机的气动外形及其发展，对于我们学习航空科技进而了解世界科技、历史、军事、政治等方面知识有着深远的意义。

科技论坛:70年代复合材料气动剪裁优化设计方法美国通用动力公司开发的机翼气动弹性综合优化设计程序(TSO)格鲁门公司开发的颤振和强度优化设计程序(FASTOP)80年代美国空军怀特实验室在1983年提出了开发自动化结构设计软件(Automated STRuctural Optimization System简称ASTROS)的计划ASTROS系统是一个基于有限元的，能够为飞行器结构初步设计提供辅助设计功能的大型结构综合优化设计软件系统。

它的最大特点在于多学科综合性，和飞行器结构设计有关的各个学科知识都可以被集成到这个系统中，比如结构的强度、刚度、稳定性、结构振动的频率、模态、气动弹性的颤振、发散、操纵效率等。

在系统的统一控制下，结构设计可以同时考虑这些学科知识的设计要求，实现结构整体最优设计。

经过十多年的发展，目前ASTROS已经成为美国航空宇航工业和科研院所进行结构综合优化设计和研究的标准程序洲90年代美国学者在对复合材料气动弹性研究的基础上，提出了主动气动弹性机翼的概念(Active Aeroelastic Wing简称AAW)，试图利用复合材料结构的柔性，加入主动控制技术。

美国学者提出了多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization 简称MDO)思想，利用诸如遗传算法、神经网络和响应面法等非线性数值优化方法，开展了基于飞行器系统工程的设计优化，形成了诸如基于并行子空间的优化算法、并行子空间设计、协作优化算法等多学科设计优化方法，并将多学科设计优化方法应用于FIA-18和F-16战斗机的分系统设计。

以FIA-18战斗机为基础，采用多学科设计优化技术重新设计机翼，在性能不变的条件下，结构重量只有原来的52%，扭转刚度可以降低40%。

把多学科设计优化技术技术用于F-16战斗机机翼设计时，机翼外段刚度可降低25%，结构重量可降低20%，在高动压情况下，控制效能提高了10%。

大展弦比机翼翼段气动弹性效应下拓扑优化分析吕计男;郭力;范学领;陈刚;刘子强【摘要】针对大展弦比机翼,根据巡航飞行状态气动载荷,采用拓扑优化方法进行结构优化及减重设计.机翼气动载荷由CFD/CSD耦合数值计算方法获得,载荷分布考虑了气动弹性变形下载荷大小和分布形式的变化.拓扑优化采用密度法,以结构减重指标为约束,以整体柔度最小为目标,采用商用软件开展分析.采用选择性激光烧结工艺并使用尼龙材料进行3D打印拓扑优化结构,验证了优化后结构的可加工性.【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2018(036)006【总页数】5页(P1047-1051)【关键词】气动弹性;拓扑优化;3D打印;低速;CFD/CSD【作者】吕计男;郭力;范学领;陈刚;刘子强【作者单位】中国航天空气动力技术研究院,北京 100074;中国航天空气动力技术研究院,北京 100074;西安交通大学航天航空学院,陕西西安 710049;西安交通大学航天航空学院,陕西西安 710049;中国航天空气动力技术研究院,北京 100074【正文语种】中文【中图分类】V211.30 引言低速、大展弦比飞机结构减重是飞机设计中面临的重要问题。

此类飞机往往柔性大，气动力和结构相互作用下气动弹性变形明显。

气动弹性变形使得气动载荷重新分布，气动载荷大小及分布规律与刚性飞机相比变化明显[1-2]。

大展弦比机翼气动载荷作用下几何非线性效应明显[3]，结构刚度受载荷状态影响且结构变形又影响气动力的分布，气动/结构一体化优化成为重要的研究方向[4]。

目前飞机设计主要根据经验来布置机翼的梁和肋的位置，结构的形状和尺寸受制于传统制造技术。

如果取消制造技术的约束，将设计重点转移到根据载荷形式确定结构，去除不需要的材料，将有效提高结构效率，达到减重的最终目标。

结构优化设计中,拓扑优化方法被认为是一种根据给定的设计空间确定结构材料分布的有效的数学方法。

在过去的一段时间内，基于拓扑优化的方法并没有得到有效的应用，其中很重要的一个原因是优化后的结构无法采用传统制造工艺完成或者加工成本过高[5]。

第26卷 第5期 2008年10月飞 行 力 学FLIG H T D Y NAM ICSVo l .26 N o .5O ct .2008收稿日期:2008-01-02;修订日期:2008-05-20基金项目:国家自然科学基金资助项目(10672135);教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET -04-0965)作者简介:杨智春(1964-),男,四川广安人,教授,博士,主要从事飞行器气动弹性力学、智能结构和结构健康监测方面的研究。

自适应机翼技术的分类和实现途径杨智春,解 江(西北工业大学航空学院,陕西西安710072)摘 要:自适应机翼技术研究可分为通过机翼结构较小尺度变形的流动控制设计和较大尺度改变机翼几何构型的自适应结构设计两个范畴。

改变机翼构型的自适应结构又包括可变前后缘结构、扭转机翼盒段结构、可变展弦比机翼结构这三种实现方式。

根据目前自适应机翼技术的研究现状,归纳出了实现机翼自适应功能的两种途径,其中,采用智能材料结构进行驱动控制的研究代表了自适应机翼技术的发展趋势,而基于传统材料结构的自适应机翼技术则在现阶段更具有工程应用价值。

关 键 词:自适应机翼;流动控制;多控制面;保形控制面;智能材料中图分类号:V 224 文献标识码:A 文章编号:1002-0853(2008)05-0001-04引言自适应机翼的技术原理是在不同的飞行任务状态下,自适应地改变机翼形状,使飞机获得最佳的飞行性能。

从20世纪80年代开始,世界各国竞相把该技术作为重点的战略发展目标,并执行了一系列的研究计划。

经过几十年的努力,美国等航空技术先进国家在20世纪90年代陆续取得重大技术突破,相继进行了地面风洞实验和飞行验证试验,大大推进了相关基础理论和关键技术的突破性进展。

自适应机翼技术的研究可以分为两个学派:一是通过外部增加物或是翼型的微小改变有效地调节流场中无粘或是附面层的流动,即基于机翼小尺度变形的流动控制自适应机翼技术;另一个是较大尺度地改变机翼几何构型的自适应机翼技术,以使飞机在不同任务状态下获得最优飞行性能,包括改变机翼弯度、扭转角和展弦比等。

D0I：10.19936/ki.2096-8000.20210528.002复合材料铺层角度对大展弦比机翼非线性气动弹性影响研究王军利・2,李庆庆J陆正午1,雷帅1,李托雷J沈楠1(1.陕西理工大学机械工程学院，汉中723001； 2.陕西省工业自动化重点实验室，汉中723001)摘要：为了减轻重量和提高升阻比，现代飞行器结构普遍采用大展弦比布局，并且轻质复合材料在飞行器结构中的使用占比也越来越高。

为了研究复合材料铺层角度对大展弦比机翼纵向气动特性及非线性气动弹性的影响，首先以机翼结构的弹性变形为优化目标，以结构强度为约束条件,采用Screening方法对大展弦比复合材料机翼蒙皮的铺层角度进行优化，优化后机翼的刚度明显增强。

然后基于松耦合的双向流固耦合数值计算方法，对大展弦比机翼非线性气动弹性及流场进行优化前后的数值模拟，分析了复合材料铺层角度对大展弦比机翼非线性气动弹性变形及纵向气动特性的影响。

关键词：大展弦比复合材料机翼；铺层角度优化；双向流固耦合；纵向气动特性中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：2096-8000(2021)05-0012-091引言复合材料具有比强度和比刚度高、可设计性好等优点，自20世纪60年代以来被广泛应用于飞行器结构设计中，已成为飞行器设计中最常使用的四大材料之一茁。

在飞行器结构中适当加入复合材料，不仅可以减轻结构的重量，还可以对其进行优化设计来提高飞行器的其他性能参数。

复合材料的铺层厚度、角度和顺序不同,复合材料结构表现出的力学性能也不同⑵。

因而复合材料机翼结构的优化设计问题，一直是国内外学者非常关注的热点。

近年来,国内外学者在复合材料机翼铺层方面进行了大量的研究。

朱胜利等［3］以翼盒的位移和扭转角作为约束条件,采用自由尺寸优化设计方法对机翼壁板的铺层进行了优化，研究表明采用该优化方法能够迅速地设计复合材料铺层比例和厚度，以减轻结构的重量。

Dlugosz等［4］以提高强度和刚度,减少结构重量为优化目标,对复合材料无人机结构进行优化设计。

公司名称：北京华天海峰科技发展有限公司联系方式：010-********ZAERO 是用于飞行器气动弹性设计和分析的专用软件。

美国 ZONA Technology 公司经过几十年的研究开发及商用化， 以及世界各国用户广泛使用和实践，ZAERO 已成为飞行器气动弹性问题所需的强有力设计和分析工具 。

世界各国的最主要飞机制造商均使用了ZAERO 。

它是同类商用工程软件中的最先进最完整的软件，能求解其它现有同类软件不能处理的许多问题，其全方位功能比其它同类著名软件要强许多倍。

ZAERO 具有如下主要特点：用统一气动影响系数（UAIC ）矩阵， 可求解全马赫数范围（亚/跨/超/高超音速）气动。

用先进的K/g-方法和真实阻尼求解颤振。

用3D 插值方法，可在结构有限元分析和气动模型直接建立准确的界面。

ZAERO 可用来求解 分析下列飞行器的气动弹性问题全机翼体组合（机翼/尾翼 升力面 + 机身 + 外挂）线性颤振 。

气动伺服弹性 （多输入多输出控制系统 - MIMO ）。

各种非定常载荷 - 阵风载荷， 机动飞行载荷，发射及抛物载荷。

静气动弹性和载荷的配平分析。

复杂多外挂结构气动弹性分析。

全机翼体组合非线性颤振。

输入利用风洞及CFD 数据。

ZAERO 飞行器气动弹性计算和分析软件公司名称：北京华天海峰科技发展有限公司联系方式：010-********Unsteady Aerodynamic ModelFirst Wing Bending ModeWing Torsion ModeZAERO C-130 model with 3978 boxesFlutterZAERO 与 MSC.NASTRAN.Aeroelasticity 的对比公司名称：北京华天海峰科技发展有限公司联系方式：010-********。

考虑机翼静气动弹性的型架结构nastran有限元仿真简介机翼是飞机的重要组成部分，它承载飞机的重量和提供升力以使得飞机能够离开地面并在空中飞行。

机翼的设计和制造需要考虑多种因素，其中包括静态和动态载荷、材料特性和结构强度等。

此外，静气动弹性也是机翼设计和仿真的重要因素。

机翼在飞行过程中由于受到阻力和动压力的影响，导致机翼产生微小的振动和变形。

因此，机翼的设计和仿真需要考虑静气动弹性的影响。

Nastran有限元仿真Nastran是一款有限元分析软件。

它可以用于模拟各种机械系统的结构分析和动态响应，如飞机结构、车辆、建筑等。

Nastran包含多种类型的元素和多种工程材料模型，使得用户能够利用有限元仿真技术进行高精度的结构分析和预测设计结果。

在机翼设计中，Nastran可以用于静态、动态和静气动弹性分析仿真，以预测机翼在不同工作条件下的性能和响应。

型架结构型架结构是一种经典的机翼设计模型。

它通过构建一个带有纵向和横向型架的机翼模型进行建模。

这种设计模型的优点是能够减小机翼的重量，同时提高了机翼的刚度和强度。

在Nastran有限元仿真中，型架结构可以用于预测机翼在静态和动态载荷下的响应，并考虑静气动弹性的影响。

考虑机翼静气动弹性的型架结构Nastran有限元仿真步骤1.使用CAD软件建立机翼三维模型：首先需要使用CAD软件（如Solidworks、CATIA等）建立机翼三维模型。

这个三维模型必须包含机翼的完整几何形状，并确保模型准确无误，以保证后续有限元仿真的准确性。

2.导入模型到Nastran：将CAD软件生成的机翼模型导入到Nastran中。

Nastran支持多种CAD格式的导入，用户可以选择最适合自己的导入格式。

3.定义有限元网格：为了在Nastran中进行有限元仿真，需要对机翼模型进行网格化处理。

用户可以使用Nastran提供的自动网格化工具进行网格化，也可以手动选择节点和单元进行网格化。

需要注意的是，在进行网格化时需要考虑到机翼的细节和特殊构造，以确保仿真结果的准确性。

・技术・　现代飞机的发明源于人们对鸟　飞行的认识，然而同样用于产生升　力的飞机机翼却无法像鸟的翅膀那　样自由地伸展和舞动，所以也就不　能像鸟一样适应各种飞行状态。不　过，随着技术的发展，不久的将来，　人们很快将看到具有一副像鸟翅膀　一样的柔软机翼并具有自修复能力　的“变形飞机”在空中翱翔。　鸟类的启迪　其实，“变形飞机”并非一种新　的概念，世界上最早的飞机其实就　有着一对能活动的“翅膀”。当年莱　特兄弟在发明飞机时曾详细观察了　秃鹰飞行的动作，注意到：“当秃鹰　由于风吹而导致身体部分翻转时，　它可以通过翅膀未端的扭转来重新　获得纵向平衡。”秃鹰通过扭转一　扇翅膀的末梢，将改变它相对于迎　面空气的冲角，这种改变沿整个翼　展重新分布了升力的平衡，可以增　加或降低这扇翅膀的升力。由此产　生了最早的机翼扭曲操纵的概念。　莱特兄弟制造的飞机以密度小　的木料、布、以及金属丝作为原材　料，靠滑轮带动，利用翼尖产生滚转　力矩而保持平衡。飞机在１２秒内飞　了３６米远，然后跌跌撞撞落到沙地　上。正是这种仿造鸟类翅膀的机翼　保证了莱特兄弟能够驾驶如此笨重　的飞机飞上天空，而这之前，人类史　上虽然有着许多次的飞行试验，却　都以失败而告终。　莱特兄弟的独到之处在于发明　了一套可以让飞机在进行飞行调整　时不至于失控的系统。他们的飞机　上安装了一套由飞行员控制、带钢　缆的拉杆系统，这一系统可以改变　最早采用变后掠翼的ＸＢ一７０轰炸机　机翼的形状。莱特兄弟所造飞机的　机翼弹性很大，正因为如此，机翼才　可以发生弯曲变形，从而控制飞机　在三个轴向上的运动。　虽然莱特兄弟的设计理念一开　

莱特兄弟制造的机翼可弯曲变形的飞机　始就获得了成功，可是这种可变形　机翼很快就随着航天器的发展而销　声匿迹。在随后的数年里，飞机的飞　行速度日益增加，使得飞行器设计　者和工程师们不得不通过加强机翼　结构来抵抗由此产生的应力。固定　机翼成为飞机的标准设计模式，坚　固的翼间支柱和翼肋使机翼难以产　生较大幅度的扭转，因此飞机制造　

飞机机翼结构的振动分析与优化设计一、引言随着航空事业的发展，人们对飞机的性能和安全性要求越来越高，其中机翼结构的振动问题成为航空工程领域中的一个重要研究方向。

机翼的振动不仅会影响飞行稳定性和飞行性能，还可能导致结构疲劳和损坏。

因此，对飞机机翼结构的振动进行分析和优化设计是非常必要的。

二、飞机机翼振动问题的成因飞机机翼的振动问题主要由以下几个因素引起：1. 气动力：当飞机在空气中飞行时，机翼表面会受到来流气流的冲击，产生气动力。

如果气动力超过了机翼结构的承载能力，就会引起机翼的振动。

2. 弹性变形：机翼作为一个具有弹性的结构，会在受到外部力作用时发生变形。

当外部力消失后，机翼会回弹，并产生振动。

3. 控制面激励：飞机的控制面在飞行中会不断运动，这样的运动会传导到机翼结构上，引起振动。

三、飞机机翼振动的分类根据振动形式的不同，飞机机翼的振动可以分为自由振动和受迫振动两种类型。

1. 自由振动：自由振动是指机翼在没有外部激励时自身固有频率下的振动。

自由振动可以通过模态分析确定机翼的固有频率和振型。

2. 受迫振动：受迫振动是指机翼在外部激励作用下发生的振动。

通常情况下，受迫振动可以通过振动响应分析来研究。

四、机翼结构的振动分析方法为了分析和优化设计飞机的机翼结构，可以采用以下几种振动分析方法：1. 分析力法：分析力法是一种基于结构动力学原理进行分析的方法，通过建立机翼结构的数学模型，计算其固有频率和振型。

2. 有限元法：有限元法是一种将实际结构离散化为有限数量的小单元，在每个小单元上建立动力学方程，通过求解方程组来计算机翼的振动响应。

3. 边界元法：边界元法是一种基于边界值问题进行分析的方法，通过将机翼结构分割为边界和内部两个区域，只求解边界上的位移，通过边界上位移的分布计算机翼的振动响应。

五、机翼结构的振动优化设计为了减小飞机机翼结构的振动，可以采取以下几种优化设计方法：1. 结构优化：通过结构材料的选择和结构参数的设计来改变机翼的刚度和质量分布，从而改善机翼的振动属性。