[发明专利]一种基于结构降阶模型的几何非线性静气动弹性分析方法

说明书

本发明提供了一种基于结构降阶模型的几何非线性静气动弹性分析方法。首先建立飞行器机翼或全机有限元模型，给定随动测试载荷并通过有限元软件求解对应测试变形，其次在给定非线性刚度系数形式下通过对随动测试载荷及测试变形进行回归分析求解非线性刚度系数建立结构降阶模型，最后应用于飞行器几何非线性静气动弹性分析，建立机翼几何非线性静气动弹性变形计算及全机几何非线性静气动弹性配平分析流程。本发明给定三次多项式形式的非线性刚度系数，并考虑气动力随动效应及机翼几何非线性大变形下的展向变形，提高几何非线性气动弹性分析的合理性及准确性，有助于几何非线性气动弹性变形及配平的高效分析计算。

技术领域

本设计提供一种基于结构降阶模型的几何非线性静气动弹性分析方法。属于计算结构动力学，飞行器气动弹性分析领域。

背景技术

气动弹性主要研究弹性物体在气流中的力学行为。弹性体在气动载荷作用下会发生变形和振动，而变形和振动反过来又会影响气动载荷的分布与大小，这样的耦合作用在不同条件下产生不同的气动弹性问题，包括静气动弹性发散，颤振，阵风响应等。在有动力飞行的历史发展进程中，气动弹性现象扮演了重要角色。

大变形几何非线性气动弹性问题是上世纪90年代末提出的非线性气动弹性问题。一方面，结构变形超过线性讨论范围，结构的力学平衡关系必须建立在其变形后的构型上，另一方面，结构材料特性远没有超出弹性范围，应力应变的本构关系仍然满足线性关系。随着对现代飞行器特别是对大展弦比无人机及大型运输机/客机飞行性能要求的不断提高，飞机质量逐渐降低，柔性逐渐加大，几何非线性气动弹性问题变得愈发重要。

目前，气动弹性研究中结构计算分析通常使用现有的商业有限元软件。对于几何非线性气动弹性问题中的结构大变形分析，大变形结构几何非线性理论还远谈不上成熟。现有的商业结构分析软件均是基于传统位移基有限元，模型自由度数大，非线性阶数高，收敛性差计算效率低；另外有限元方法难以对结构动力学特性进行机理性研究。

本发明针对大柔性飞行器几何非线性气动弹性问题，建立非线性结构降阶模型，研究大变形结构高效准确的结构建模方法，并结合曲面气动力进行机翼几何非线性静气动弹性变形计算及全机几何非线性静气动弹性配平分析。

发明内容

为了克服现有几何非线性气动弹性计算中结构非线性有限元计算的不足，本发明提供一种基于结构降阶模型的几何非线性静气动弹性分析方法，建立机翼几何非线性静气动弹性变形计算及全机几何非线性静气动弹性配平分析流程。

本发明核心部分可描述如下：采用对输入测试载荷及其对应结构变形进行回归分析的方法求解给定形式的结构非线性刚度系数，利用非线性刚度系数构建大变形结构动力学方程，并围绕结构降阶模型搭建几何非线性气动弹性求解流程。本方法考虑了结构大变形中的展向位移恢复问题，并全程以随动力的形式加载气动力。本方法解决了非线性快速结构计算、显式计算的问题，可应用于航空航天类飞行器几何非线性气动弹性分析计算。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1：计算初始化

建立计算模型的有限元模型，划分模型的结构有限元网格，定义结构有限元网格的单元属性和材料特性，设置计算边界条件；

步骤2：计算结构模态

非线性结构降阶模型基于结构的线性模态建立，在建立结构降阶模型前，需要提取模型线性模态信息。具体步骤如下：

(1)计算结构垂直弯曲，扭转及水平弯曲方向线性模态；

(2)根据结构有限元模型特点，建立沿机翼展向的正交模态；

步骤3：确定降阶模型建立需要的测试载荷及测试变形

测试载荷的给定是降阶模型建立的关键部分，测试载荷合适与否直接影响回归分析的准确性及降阶模型的合理性。具体步骤如下: