[发明专利]基于梁理论的一维复合材料翼型流固耦合特性预测方法

权利要求书

1.一种基于梁理论的一维复合材料翼型流固耦合特性预测方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：根据薄壁封闭截面梁的受力-变形关系，通过对薄壁封闭截面在dz高度方向进行积分，建立复合材料翼型截面的受力-变形关系式；

步骤一实现方法为，

根据薄壁封闭截面梁的受力-变形关系，通过对薄壁封闭截面在dz高度方向进行积分，将复合材料翼型的受力-变形关系表示为式(1)；式中，N,T,M_x和M_z分别为轴向力、扭矩、绕x、z轴的弯矩，U₁,U₂和h分别是沿x,y和z轴的变形，ψ是绕y轴的扭转角；运动学变量中的逗号表示关于y的微分；

其中，刚度矩阵[C′]如公式(2)所示，x₂(z)和x₁(z)是剖面中某z值的x的最大值和最小值；

其中A′、B′、C′如式(3)所示，矩阵是单个板的面内刚度系数的简化变换；

根据薄壁封闭截面梁的受力-变形关系，通过对薄壁封闭截面在dz高度的积分，建立复合材料翼型的受力-变形关系式；

步骤二：考虑复合材料翼型沿z方向叠合，简化步骤一建立的受力-变形关系中的刚度矩阵，得到复合材料翼型运动学方程；

步骤二实现方法为，

复合材料翼型沿z方向叠合，则参数A′、B′、D′在x方向上相同，如公式(2)所示的刚度矩阵[C′]分量简写为式(4)；

将简化的刚度矩阵[C′]式(4)代入至受力-变形关系式(1)中，得到复合材料翼型运动学方程如式(5)所示

其中，m_s和I_s分别为质量和单位长度的质量惯性矩；Sz′和Sx′分别为绕z轴和x轴的质量矩，表示为式(6)，其中ρ为材料密度；x_a和z_a分别为质心与剪切中心在x方向和z方向上的距离；

步骤三：通过替换步骤二简化后的刚度矩阵中的分量，进一步简化步骤二得到的运动学方程；

步骤三实现方法为，

将C′₂₂,C′₂₃和C′₃₃替换为GJ,K和EI，则运动学方程式(5)简化为运动学方程式(7)；

步骤四：通过升力线法，分析翼型上自由涡系诱导的下洗速度及下洗角，获得翼型几何攻角，通过环量理论变换得到翼型表面环量分布与几何攻角的关系；

步骤四实现方法为，

自由涡系在升力线上任一点y产生的下洗速度v_yi如式(8)所示，其中，Γ为环量，ζ为升力线上其他点坐标，Δα是尾涡涡线在升力线上每一点诱导的下洗速度v_yi引起的下洗角，该角与几何攻角相反，表达式如式(9)所示，其中V_∞是无穷远处来流速度，l为翼型展长；

则有

变量代换，令

ζ＝l-lcosθ₁ y＝l-lcosθ 0≤θ≤π (11)

则有

将环量展开为级数形式得到式(13)：

则式(12)改写为

即得到

级数方程取前k项，得到式(15)，代入至式(14)得系数An；将系数An代入至式(13)中，得到环量分布；

步骤五：将步骤四得到的翼型表面环量分布与几何攻角的关系，代入至升力与环量关系式中，得到翼型升力与攻角的关系式，根据翼型弯矩、扭矩与升力的关系；将升力代入所述翼型弯矩、扭矩与升力的关系中，得到弯矩、扭矩与翼型攻角的关系，将弯矩、扭矩代入步骤三简化得到的运动学方程中，获得新的攻角；

步骤五实现方法为，

根据步骤四中获得的环量分布，得到截面升力表达式如式(15)所示；

L＝-ρV_∞Γ(y) (15)

翼型y_i位置处的弯矩和扭矩表达式如式(16)所示，将式(15)结果代入至简化得到的运动学方程式(16)中，求得弯矩扭矩，将得到的弯矩扭矩代入至式(7)计算得到翼型新的攻角；

步骤六：得到新的攻角后，重复步骤四与步骤五，直至攻角收敛；将满足收敛要求的攻角代入至步骤五得到的升力与攻角的关系中，得到复合材料翼型水动力特性，即基于梁理论实现一维复合材料翼型流固耦合特性预测。

2.如权利要求1所述的一种基于梁理论的一维复合材料翼型流固耦合特性预测方法，其特征在于：还包括步骤七，根据步骤六得到的复合材料翼型水动力特性，对复合材料翼型的有效力学行为、物理行为、破坏机理的深入分析。