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翼尖铰接组合式无人机气动建模方法及布局参数影响

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航空学报 2024年第6期45卷 167-182页

作者：安朝霍贵玺孟杨谢长川杨超北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

翼尖铰接组合式无人机是一类新概念飞行器,其由多个单体无人机以翼尖铰接形式连接而成并允许相对滚转运动,在布局参数及飞行力学特性上与常规飞行器有较大不同,单体无人机间存在气动耦合。首先基于状态空间形式涡格法给出了针对该类型... 详细信息

翼尖铰接组合式无人机是一类新概念飞行器,其由多个单体无人机以翼尖铰接形式连接而成并允许相对滚转运动,在布局参数及飞行力学特性上与常规飞行器有较大不同,单体无人机间存在气动耦合。首先基于状态空间形式涡格法给出了针对该类型飞行器的气动导数计算方法。然后,结合Newton-Euler方程建立的飞行力学模型进行配平计算及飞行力学稳定性分析,说明其具有以相对滚转运动主导的不稳定复合运动飞行模态特征。最后,开展布局参数对飞行动力学稳定性影响研究,经分析,减小单体无人机配平滚转角,增加后掠角可以改善飞行稳定性,同时机翼与尾翼距离存在改善飞行稳定性最优值。研究结果可为翼尖铰接组合式无人机设计提供指导和参考。

关键词：飞行力学多体组合式无人机新概念飞行器涡格法气动布局

大柔性机翼几何非线性结构降阶模型与气动弹性分析

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航空学报 2024年

作者：安朝赵睿谢长川杨超北京航空航天大学航空科学与工程学院杭州市北京航空航天大学国际创新研究院(北京航空航天大学国际创新学院)

几何非线性气动弹性问题是大柔性飞行器设计中的关键问题，准确的大变形结构建模是几何非线性气动弹性分析的基础。相比非线性有限元方法，降阶模型具有阶次低，求解快的优势，但传统的结构模态建模方法并不适用于非线性结构。针对大柔... 详细信息

几何非线性气动弹性问题是大柔性飞行器设计中的关键问题，准确的大变形结构建模是几何非线性气动弹性分析的基础。相比非线性有限元方法，降阶模型具有阶次低，求解快的优势，但传统的结构模态建模方法并不适用于非线性结构。针对大柔性飞行器机翼，以结构模态作为基底建立非线性结构降阶模型，利用“非侵入式”方式求解非线性刚度系数，补充残量基函数提高结构变形计算精度，计算结果与非线性有限元方法对比具有很好的一致性。结合曲面涡格法建立几何非线性气动弹性分析框架，进行几何非线性静气动弹性变形、颤振及阵风响应分析。结果表明，几何非线性因素对于大柔性机翼气动弹性特性具有重要影响，基于非线性结构降阶模型建立的气动弹性分析方法能够兼顾分析精度、计算效率及复杂模型适用性。

关键词：几何非线性降阶模型气动弹性非线性颤振大柔性飞行器

高超声速飞行器结构/气动/推力耦合动力学建模方法

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空气动力学学报 2024年

作者：王高瞻谢长川刘晨宇程杰中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所北京航空航天大学航空科学与工程学院

高超声速飞行器采用细长体布局和推进-机体一体化设计，并大量使用轻质材料、薄壁结构。这些因素造成推进系统与气动力、结构变形之间存在严重的相互影响，带来特殊的推力-气动弹性耦合问题。针对此类问题，开展一体化动力学建模与分析... 详细信息

高超声速飞行器采用细长体布局和推进-机体一体化设计，并大量使用轻质材料、薄壁结构。这些因素造成推进系统与气动力、结构变形之间存在严重的相互影响，带来特殊的推力-气动弹性耦合问题。针对此类问题，开展一体化动力学建模与分析方法研究，首先基于飞行力学小扰动理论建立动力学方程，并引入当地流活塞理论显式气动力模型、模态法结构变形模型和准一维超燃冲压发动机模型等兼顾分析精度和效率的子学科模型，最终提出了一种结构-气动-推力耦合的吸气式高超声速飞行器动力学建模方法。采用此方法针对类似X-43的典型高超声速飞行器二维模型算例进行动力学稳定性分析，分析推力及弹性耦合对算例飞行器动力学特性产生的影响，并对关键耦合参数进行变参分析。分析结果验证了建模方法的可行性，并证明了推力-气动弹性耦合对算例飞行器动力学特性的特殊影响，其中推力耦合会显著降低长周期稳定性，弹性耦合会略微增加短周期稳定性，而舵偏振动耦合则会显著降低短周期稳定性。

关键词：高超声速飞行器气动弹性动力学建模推力耦合超燃冲压发动机

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品种钢方坯拉矫机驱动装置优化方法探讨

冶金自动化 2024年第S1期 182-185页

作者：谢长川王郢李富帅钱亮中冶南方连铸技术工程有限责任公司中天钢铁集团有限公司

为了改善铸坯中心偏析、疏松情况，生产合金钢、高碳钢的方坯铸机，往往要采用多机架拉矫机对铸坯实施压下。当拉矫机的压下量达到15～20 mm时，产生的拉坯阻力是常规生产时的约10倍以上。此时，非常容易出现滞坯现象，或者个别拉矫机... 详细信息

为了改善铸坯中心偏析、疏松情况，生产合金钢、高碳钢的方坯铸机，往往要采用多机架拉矫机对铸坯实施压下。当拉矫机的压下量达到15～20 mm时，产生的拉坯阻力是常规生产时的约10倍以上。此时，非常容易出现滞坯现象，或者个别拉矫机的电流达到额定值、甚至变频器跳闸。传统设计方法一般只考虑拉矫机总的拉坯能力，并不关注每个机架的实际工作负载情况，导致大压下量时，拉矫机工作状态不稳定。本文给出了一种拉矫机各机架负载系数的计算方法，以及最优的取值范围为0.5～0.7,使多机架拉矫机驱动装置的设置更加合理。并且分析、对比了不同驱动装置的设置、拉矫机油缸压力的变化，对负载系数的影响。此外，探讨了拉矫机压力、速度控制的优化方法，有效解决了高碳钢高拉速、大压下时铸坯扭曲的问题。

关键词：连铸机拉矫机负载系数

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面向柔性扑翼翼面形状和运动参数的优化设计

北京航空航天大学学报 2023年第12期49卷 3311-3320页

作者：吴越谢长川杨超北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

扑翼机具备仿鸟类的外形,能够隐蔽执行侦查监视任务,合理设计翼面形状和运动过程能够提升扑翼飞行气动效应。当前针对扑翼翼面设计问题,缺乏考虑流固耦合效应的优化设计研究,还未在设计阶段考虑改变柔性翼面形状对扑翼气动特性的影响,... 详细信息

扑翼机具备仿鸟类的外形,能够隐蔽执行侦查监视任务,合理设计翼面形状和运动过程能够提升扑翼飞行气动效应。当前针对扑翼翼面设计问题,缺乏考虑流固耦合效应的优化设计研究,还未在设计阶段考虑改变柔性翼面形状对扑翼气动特性的影响,且现有研究只涉及对翼面形状或扑翼运动的单因素分析讨论,缺乏综合2种设计因素的优化设计。针对定速前飞的柔性扑翼翼面进行气动特性优化设计,采用Newmark-β方法求解结构响应,并与现成软件求解器的计算结果进行对比,验证结构动力学计算方法的准确性,用非定常涡格法(UVLM)计算扑翼气动力,搭建了高效的流固耦合计算框架。由于扑翼复杂设计空间具有多个局部最优点,采用与并行计算结合的细分矩形(DIRECT)全局优化算法,提高计算效率,对柔性扑翼翼面的形状和运动参数进行迭代优化,确定最大化推进效率的设计参数,并与刚性模型优化结果进行对比。结果表明:柔性扑翼翼面形状和运动优化设计能够获得更高的推进效率,与只采用形状优化相比最优推进效率提高了5.6%,比刚性模型优化结果提高了27.0%。

关键词：非定常气动力流固耦合全局优化扑翼涡格法

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基于状态空间涡格法的阵风减缓分析

北京航空航天大学学报 2022年第7期48卷 1200-1209页

作者：杨澜安朝谢长川杨超北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100083

阵风响应计算及阵风减缓控制系统设计是飞行器气动弹性分析中的重要内容。基于状态空间涡格法(VLM)建立飞行器阵风气动力模型,给出有限元结构模态及控制面模态广义自由度与涡格法控制点边界条件的插值关系,建立适用于复杂模型的阵风响... 详细信息

阵风响应计算及阵风减缓控制系统设计是飞行器气动弹性分析中的重要内容。基于状态空间涡格法(VLM)建立飞行器阵风气动力模型,给出有限元结构模态及控制面模态广义自由度与涡格法控制点边界条件的插值关系,建立适用于复杂模型的阵风响应分析方法,弥补了传统阵风响应分析方法需要进行有理函数拟合或迭代计算资源消耗大等不足。在此基础上,基于经典PID控制方法设计阵风减缓控制系统,仿真得到离散阵风及von Karman连续阵风激励下的系统开/闭环时域响应情况,对比响应幅值计算减缓率。仿真计算结果表明:根据所提方法建立的阵风响应分析方法准确,阵风减缓控制系统能有效降低原气动弹性系统的阵风响应。

关键词：气动弹性气动伺服弹性阵风响应阵风减缓控制系统涡格法(VLM)

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基于动响应数据的大柔性机翼结构降阶方法

北京航空航天大学学报 2023年第6期49卷 1319-1330页

作者：谢长川张铎耀安朝北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

现代飞行器机翼柔性大,几何非线性问题不可忽略。基于动响应数据样本,基于谐波平衡和快速Fourier变换对结构动力学方程中的非线性刚度系数进行识别,建立非线性结构降阶模型。引入位移残量基模态,进行柔性机翼大变形的位移恢复。结合曲... 详细信息

现代飞行器机翼柔性大,几何非线性问题不可忽略。基于动响应数据样本,基于谐波平衡和快速Fourier变换对结构动力学方程中的非线性刚度系数进行识别,建立非线性结构降阶模型。引入位移残量基模态,进行柔性机翼大变形的位移恢复。结合曲面涡格法和三维曲面插值方法搭建大柔性机翼几何非线性气动弹性分析框架。相比传统基于静力学数据回归分析的几何非线性结构降阶方法,该方法需要的载荷集数目小,提高了分析效率。计算结果表明:与非线性有限元方法相比,非线性结构降阶模型准确度高,能够有效应用于大柔性机翼几何非线性静气动弹性分析,而传统的线性计算方法与非线性方法相比结果差异较大。

关键词：几何非线性快速傅里叶变换参数识别降阶模型静气动弹性

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面向扑翼翼面运动参数的优化设计

北京航空航天大学学报 2022年第7期48卷 1324-1331页

作者：吴越谢长川杨超安朝北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100083

扑翼机的飞行依赖于扑翼翼面的运动,经过优化的运动策略能够使特定翼面发挥最佳的气动性能。然而目前扑翼机设计中缺乏有效的运动参数优化方法,无法针对给定机翼确定一组最优运动参数。采用非定常涡格法(UVLM)计算扑翼气动力,与现有的... 详细信息

扑翼机的飞行依赖于扑翼翼面的运动,经过优化的运动策略能够使特定翼面发挥最佳的气动性能。然而目前扑翼机设计中缺乏有效的运动参数优化方法,无法针对给定机翼确定一组最优运动参数。采用非定常涡格法(UVLM)计算扑翼气动力,与现有的实验数据进行对比,验证了气动力计算方法的准确性。基于DIRECT(矩形分割)全局优化算法,以最大化推进效率为特定优化目标,对扑翼运动参数进行了迭代优化。结果表明,通过该优化算法能够得到最优扑翼运动参数,有效提高特定气动性能;应用优化算法计算得到的平均推力与基准运动的平均推力相比,在数值上有1.04倍的提高。在设计过程中,降低气动力约束有利于扑翼运动优化,使给定扑翼翼面具有更大的推进效率,无气动力约束的最大推进效率与基准运动的推进效率相比提高了46.8%。

关键词：非定常气动力涡格法全局优化扑翼飞行器设计

基于学习算法的结构大变形预测及气动弹性分析

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北京航空航天大学学报 2023年

作者：陈乔安朝谢长川杨超北京航空航天大学航空科学与工程学院

大柔性飞行器在气动载荷作用下会产生较大的结构变形，动力学特性发生明显改变，准确的结构变形预测对大柔性飞行器设计及气动弹性仿真具有重要意义。几何非线性有限元等全阶结构模型仿真效率低，已有的非线性结构降阶模型（ROM）具有... 详细信息

大柔性飞行器在气动载荷作用下会产生较大的结构变形，动力学特性发生明显改变，准确的结构变形预测对大柔性飞行器设计及气动弹性仿真具有重要意义。几何非线性有限元等全阶结构模型仿真效率低，已有的非线性结构降阶模型（ROM）具有较高的仿真效率，但建立降阶模型的过程中需要大量样本数据。基于学习算法建立考虑几何非线性因素的大柔性结构静变形预测模型，利用均方根误差（RMSE）对该预测模型进行性能评估，论证几类学习算法在结构大变形预测中的适用性。结合结构大变形预测模型与曲面涡格法（VLM）建立一种新的几何非线性静气动弹性分析方法，兼顾计算精度与效率。采用所提方法计算单梁式机翼静气动弹性变形，对比仿真结果与风洞试验结果，结果表明所提结构大变形预测方法及气动弹性分析方法计算精度及效率高，实际应用价值较大。

关键词：几何非线性机器学习气动弹性涡格法结构大变形