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考虑颤振特性的舵面结构拓扑优化

考虑颤振特性的舵面结构拓扑优化

作者：邓丽俏大连理工大学

学位级别：硕士

结构颤振涉及到气动弹性力学和结构动力学,是一种非常重要但又难以预测的自激振动现象。飞行器在高超音速飞行时,其舵面结构极易发生颤振并有可能导致飞行器突发性破坏。目前,有效运用于抑制舵面结构颤振的方法主要包括质量平衡法和局... 详细信息

结构颤振涉及到气动弹性力学和结构动力学,是一种非常重要但又难以预测的自激振动现象。飞行器在高超音速飞行时,其舵面结构极易发生颤振并有可能导致飞行器突发性破坏。目前,有效运用于抑制舵面结构颤振的方法主要包括质量平衡法和局部刚度加强法,两者均属颤振的被动抑制,往往导致舵面结构重量增加。颤振的主动抑制常采用外部控制系统,然而,控制系统的时滞问题及其稳定性会对飞行器飞行安全构成极大威胁。因此,飞行器颤振的主动控制仍处于模拟和风洞实验阶段,能真正运用于飞行器实际飞行的不多。本文将结构拓扑优化技术运用到舵面结构的颤振设计中,通过优化拓扑构型来改善舵面结构的颤振特性以及实现舵面结构的轻量化设计。本文总结评述了颤振分析和结构拓扑优化的相关理论。根据现有商业软件的特点,建立了三种考虑颤振特性的舵面结构拓扑优化模型。基于Nastran软件约束颤振阻尼的优化模型显著提高了舵面结构的颤振速度,但拓扑构型并不理想。而基于Optistruct软件分离弯/扭模态频率的优化模型得到了较好的拓扑构型,但是其颤振速度提升幅度以及轻量化程度都有限。为了获得理想的舵面结构拓扑构型,本文在对比分析以上两种模型优化结果的基础上,提出了先后约束舵面结构颤振阻尼和弯/扭模态频率差的两级拓扑优化模型,大幅度提升舵面结构颤振速度的同时尽可能地降低了舵面结构的重量,获得了理想的舵面结构拓扑构型。通过拓扑优化设计使高颤振速度成为舵面结构本身的特性,对解决舵面结构的气弹稳定性问题提供了有效思路。

关键词：舵面结构颤振速度阻尼拓扑优化轻量化

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基于动力学特性的舵面结构综合优化研究

基于动力学特性的舵面结构综合优化研究

作者：张昊伟西安理工大学

学位级别：硕士

舵面结构是高超声速飞行器的重要组成部分,其稳定性是决定飞行器正常工作的关键所在。舵面颤振,作为高超声速飞行器翼面结构的一种典型动力学失稳形式,表现为结构在一定的临界速度及相位关系下,因气动弹性耦合作用的影响而导致结构破坏... 详细信息

舵面结构是高超声速飞行器的重要组成部分,其稳定性是决定飞行器正常工作的关键所在。舵面颤振,作为高超声速飞行器翼面结构的一种典型动力学失稳形式,表现为结构在一定的临界速度及相位关系下,因气动弹性耦合作用的影响而导致结构破坏。因此对舵面结构进行动力学稳定性方面的研究具有重要的理论意义和广泛的应用价值,将动力学特性引入到结构设计阶段,可以避免后期的动力学分析反复迭代,缩短设计周期。本文针对某高超声速飞行器三角全动舵,基于气弹耦合作用的动力学特性分析,对舵面结构进行拓扑与尺寸综合优化研究。主要内容有:(1)系统的研究了气动弹性系统动力学分析方法,并进行典型舵面结构的动力学分析。根据颤振分析的气动弹性动力学方程,对初始构型的舵面结构进行了气弹耦合作用下的动力学分析研究,得到舵面结构的动力学特性分析结果。在此基础上改变构型部件尺寸,分析研究了不同部件尺寸变化对舵面结构颤振特性的影响。(2)采用变密度法进行典型工况下舵面结构多工况多约束拓扑优化研究。根据三角舵面结构气动外形,建立舵面结构拓扑优化有限元模型,并结合三种典型高超声速飞行条件下的气动力,采用载荷等效法实现气动网点至结构节点的参数化等效转换,利用变密度拓扑优化方法,进行多工况多约束条件下的结构布局构型优化研究,分析了气动力及多种约束条件对结构构型的影响,并得到全局性最优的传力路径与拓扑构型。(3)利用遗传算法进行基于气动弹性的拓扑构型尺寸优化研究。在舵面拓扑构型的基础上,建立有限元模型,并构建了两种尺寸优化模型:不考虑气动弹性约束的静力优化模型及考虑气动弹性约束的动力学优化模型,并分别利用并行遗传算法进行优化设计。分析了两种优化方案的飞行速度与阻尼、振动频率关系曲线。优化结果表明在结构优化设计中考虑气动弹性约束,可以得到满足轻量化、静力学以及动力学特性的舵面结构理想构型。

关键词：舵面结构颤振综合优化遗传算法

陶瓷基复合材料舵面结构力热耦合试验技术研究

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工程与试验 2021年第2期61卷 11-13页

作者：李永瑞丛琳华中国飞机强度研究所全尺寸飞机结构静力∕疲劳航空科技重点实验室陕西西安710065

对陶瓷基复合材料舵面结构进行了力热耦合试验,采用模块化石英灯辐射加热系统对复合材料舵面进行加热,采用加载推杆对复合材料舵面施加力载荷。由于加载推杆前端深入加热区域,高温必然降低加载推杆的强度,因此,加载推杆采用水冷装置。... 详细信息

对陶瓷基复合材料舵面结构进行了力热耦合试验,采用模块化石英灯辐射加热系统对复合材料舵面进行加热,采用加载推杆对复合材料舵面施加力载荷。由于加载推杆前端深入加热区域,高温必然降低加载推杆的强度,因此,加载推杆采用水冷装置。试验结果对评价复合材料舵面结构在高温下的承载能力、使用寿命及安全可靠性具有重要意义。

关键词：陶瓷基复合材料舵面结构石英灯加热

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一种飞机舵面结构连接设计的研究

中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 2021年第1期 423-424页

作者：徐传宇航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司飞机设计研究所黑龙江哈尔滨150066

飞机是否具有良好的操稳特性与舵面结构设计直接相关,也因此在现代各种飞行器上,舵面结构得到广泛应用。本文主要介绍了某型飞机舵面结构及舵面连接设计方法,通过优化结构连接,提高了整体维护性。

关键词：舵面结构连接设计结构优化

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基于数据驱动的舵面结构优化设计

力学学报 2023年第11期55卷 2577-2587页

作者：时光辉贾宜播郝文宇武文华李强林晔杜宗亮大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室辽宁大连116024 北京机电工程研究所结构强度与动力技术研究室北京100074 大连理工大学宁波研究院浙江宁波315016

在航空航天领域,基于结构拓扑优化理论的轻量化设计需求逐步增加;而一些高端装备的空气舵通常服役于严酷的热力耦合环境中,对其进行高效地轻量化设计兼具挑战和重要意义.对于给定的载荷,薄壁结构的刚度特性可以通过增加肋或加强筋而得... 详细信息

在航空航天领域,基于结构拓扑优化理论的轻量化设计需求逐步增加;而一些高端装备的空气舵通常服役于严酷的热力耦合环境中,对其进行高效地轻量化设计兼具挑战和重要意义.对于给定的载荷,薄壁结构的刚度特性可以通过增加肋或加强筋而得到显著增强,这与空气舵结构的设计需求高度一致.然而,传统隐式拓扑优化框架下的加筋设计存在设计变量数目多、计算效率较低、不易保证筋条几何特征以及不便直接将优化设计结果导入CAD系统等问题.本研究采用了全新的显式拓扑优化方法-移动可变形组件法(MMC),并结合数据驱动对具有异形封闭几何特征的空气舵进行高效加筋设计.该方法直接对筋条骨架的几何信息进行优化,具有设计变量少、计算效率高、优化结果可与CAD软件无缝衔接等优势,从而解决了采用隐式拓扑优化方法及后续模型重构、参数优化等冗余步骤所面临的优化周期长、对设计人员经验依赖性强等问题.进一步,建立了加筋布局与关键力学性质映射的人工神经网络模型;将其作为代理模型进行优化可极为高效地得到高质量的初始设计,从而显著提升了舵面结构优化设计的效率.文章设计框架融合了结构拓扑优化算法与人工神经网络技术,可以推广应用于其他高端装备的智能设计.

关键词：拓扑优化移动可变形组件法数据驱动舵面结构优化设计

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子空间跟踪算法在热模态问题中的应用研究

上海航天 2018年第4期35卷 85-90页

作者：周昊天赵婕曹为政史晓鸣于开平哈尔滨工业大学航天学院黑龙江哈尔滨150001 黑龙江科技大学计算机与信息工程学院黑龙江哈尔滨150022 上海机电工程研究所上海201109

总结子空间跟踪算法识别模态参数的一般步骤。对一个有理论参考解的时变两自由度系统进行仿真,利用添加不同量级噪声的响应数据对系统进行辨识。辨识结果表明:基于新信息准则的子空间跟踪算法拥有较好的抗噪能力。对飞行器舵面结构进行... 详细信息

总结子空间跟踪算法识别模态参数的一般步骤。对一个有理论参考解的时变两自由度系统进行仿真,利用添加不同量级噪声的响应数据对系统进行辨识。辨识结果表明:基于新信息准则的子空间跟踪算法拥有较好的抗噪能力。对飞行器舵面结构进行受控快速加热,辨识快速升温过程中的模态参数。辨识结果表明:子空间跟踪算法可用于热模态辨识,有一定的工程应用价值。

关键词：子空间跟踪热模态模态试验时变结构模态参数辨识新信息准则飞行器舵面结构