[發明專利]一種基于結構降階模型的幾何非線性靜氣動彈性分析方法

在審

• 申請號: 201711489928.0
• 申請日: 2017-12-30
• 公開（公告）號: CN108052772A
• 公開（公告）日: 2018-05-18
• 發明（設計）人: 謝長川;安朝;楊瀾;楊超
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京金恒聯合知識產權代理事務所 11324
• 代理人: 李強

本發明提供了一種基于結構降階模型的幾何非線性靜氣動彈性分析方法。首先建立飛行器機翼或全機有限元模型，給定隨動測試載荷并通過有限元軟件求解對應測試變形，其次在給定非線性剛度系數形式下通過對隨動測試載荷及測試變形進行回歸分析求解非線性剛度系數建立結構降階模型，最后應用于飛行器幾何非線性靜氣動彈性分析，建立機翼幾何非線性靜氣動彈性變形計算及全機幾何非線性靜氣動彈性配平分析流程。本發明給定三次多項式形式的非線性剛度系數，并考慮氣動力隨動效應及機翼幾何非線性大變形下的展向變形，提高幾何非線性氣動彈性分析的合理性及準確性，有助于幾何非線性氣動彈性變形及配平的高效分析計算。

技術領域

本設計提供一種基于結構降階模型的幾何非線性靜氣動彈性分析方法。屬于計算結構動力學，飛行器氣動彈性分析領域。

背景技術

氣動彈性主要研究彈性物體在氣流中的力學行為。彈性體在氣動載荷作用下會發生變形和振動，而變形和振動反過來又會影響氣動載荷的分布與大小，這樣的耦合作用在不同條件下產生不同的氣動彈性問題，包括靜氣動彈性發散，顫振，陣風響應等。在有動力飛行的歷史發展進程中，氣動彈性現象扮演了重要角色。

大變形幾何非線性氣動彈性問題是上世紀90年代末提出的非線性氣動彈性問題。一方面，結構變形超過線性討論范圍，結構的力學平衡關系必須建立在其變形后的構型上，另一方面，結構材料特性遠沒有超出彈性范圍，應力應變的本構關系仍然滿足線性關系。隨著對現代飛行器特別是對大展弦比無人機及大型運輸機/客機飛行性能要求的不斷提高，飛機質量逐漸降低，柔性逐漸加大，幾何非線性氣動彈性問題變得愈發重要。

目前，氣動彈性研究中結構計算分析通常使用現有的商業有限元軟件。對于幾何非線性氣動彈性問題中的結構大變形分析，大變形結構幾何非線性理論還遠談不上成熟。現有的商業結構分析軟件均是基于傳統位移基有限元，模型自由度數大，非線性階數高，收斂性差計算效率低；另外有限元方法難以對結構動力學特性進行機理性研究。

本發明針對大柔性飛行器幾何非線性氣動彈性問題，建立非線性結構降階模型，研究大變形結構高效準確的結構建模方法，并結合曲面氣動力進行機翼幾何非線性靜氣動彈性變形計算及全機幾何非線性靜氣動彈性配平分析。

發明內容

為了克服現有幾何非線性氣動彈性計算中結構非線性有限元計算的不足，本發明提供一種基于結構降階模型的幾何非線性靜氣動彈性分析方法，建立機翼幾何非線性靜氣動彈性變形計算及全機幾何非線性靜氣動彈性配平分析流程。

本發明核心部分可描述如下：采用對輸入測試載荷及其對應結構變形進行回歸分析的方法求解給定形式的結構非線性剛度系數，利用非線性剛度系數構建大變形結構動力學方程，并圍繞結構降階模型搭建幾何非線性氣動彈性求解流程。本方法考慮了結構大變形中的展向位移恢復問題，并全程以隨動力的形式加載氣動力。本方法解決了非線性快速結構計算、顯式計算的問題，可應用于航空航天類飛行器幾何非線性氣動彈性分析計算。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：

步驟1：計算初始化

建立計算模型的有限元模型，劃分模型的結構有限元網格，定義結構有限元網格的單元屬性和材料特性，設置計算邊界條件；

步驟2：計算結構模態

非線性結構降階模型基于結構的線性模態建立，在建立結構降階模型前，需要提取模型線性模態信息。具體步驟如下：

(1)計算結構垂直彎曲，扭轉及水平彎曲方向線性模態；

(2)根據結構有限元模型特點，建立沿機翼展向的正交模態；

步驟3：確定降階模型建立需要的測試載荷及測試變形

測試載荷的給定是降階模型建立的關鍵部分，測試載荷合適與否直接影響回歸分析的準確性及降階模型的合理性。具體步驟如下: