基于智能结构的变形体机翼模型设计及高速风洞试验验证

发布时间：2017-08-24 00:32

  本文关键词：基于智能结构的变形体机翼模型设计及高速风洞试验验证

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【摘要】：变形体飞行器可以自主改变气动外形来适应不同飞行环境、执行多种飞行任务,被认为是未来飞行器发展的一个重要方向。变形体飞行器的设计对驱动机构的重量、体积以及工作环境要求极为严苛。形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)以其能量密度高、输出应变大的特点被认为是变形体飞行器的最佳驱动元件之一。本文以形状记忆合金驱动的变形体机翼后缘偏转变形为设计目标,开展了形状记忆合金力学特性实验与建模、变形体机翼模型设计、变形体机翼高速风洞试验、气动/结构耦合下的变形体机翼数值模拟等一系列研究工作。本文的具体研究内容如下:首先,开展了形状记忆合金的力学性能测试与建模。通过拉伸试验获得了形状记忆合金在室温、高温状态下的应力应变曲线及其弹性模型。测试了形状记忆合金的最大可回复应变。详细测试了形状记忆合金回复应力与预应变、加热温度以及回复应变间的变化关系。由于Tanaka系列本构模型在大应变对回复应力的预测不准确,本文通过拟合实验数据的方法,建立了形状记忆合金的回复应力模型。其次,开展了变形体机翼模型设计工作。详述了偏动型形状记忆合金驱动器的作动原理,并进行了原理性实验验证。提出了一种悬臂梁(或称之为柔性节)式后缘偏转变形结构。采用形状记忆合金驱动、柔性节偏置的方式实现了机翼后缘的往复偏转变形。基于所提出的形状记忆合金的回复应力模型,建立了柔性结构的力学模型,并对结构的关键尺寸进行了选优。建立了机翼的有限元模型,利用Nastran软件仿真计算,获得了模型后缘偏转位移,柔性节、形状记忆合金关键位置的应力,验证了模型设计的合理性与可行性,并为后文的气动/结构耦合下的数值模拟研究提供结构计算模型。设计制作了机翼模型,进行了地面试验验证。第三,开展了变形体机翼高速风洞试验研究。通过VMD变形测量、PSI测压、PSP测压三种手段获得了模型后缘偏转角和上下翼面的压力分布。实验工况:Ma=0.4~0.8、攻角α=0°~6°。分析了后缘偏转角随攻角与马赫数的变化规律。分析了变形前后两个稳定状态下上翼面压力分布变化规律。对变形前后的气动收益进行了评价。挑选典型状态,研究了变形过程中上翼面压力分布的动态变化规律与迟滞特性。对于后缘偏转变形对上翼面流动加速、激波位置改变、后缘流动分离等流态的影响进行了分析。根据PSP测压结果分析了变形前后下翼面压力分布以及翼型升力的变化规律。第四,开展变形体机翼模型的气动/结构耦合数值模拟研究。计算了Ma=0.8状态下后缘偏转角以及变形前后的压力分布,计算结果与实验结果规律一致。刻画了变形前后翼型绕流结构。同时从宏观上分析了变形前后的气动力系数变化。
【关键词】：变形体 机翼 形状记忆合金 高速风洞试验 CFD/CSD
【学位授予单位】：中国空气动力研究与发展中心
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V211.74;V224
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 引言10-25
• §1.1 研究背景与意义10-13
• §1.2 国外重大项目概述13-15
• §1.3 变形体机翼关键技术研究现状15-23
• §1.3.1 国内外变形体机翼变形方案、结构研究现状15-20
• §1.3.2 形状记忆合金驱动结构应用现状20-23
• §1.4 本文研究工作23-25
• 第二章 形状记忆合金力学建模与实验25-40
• §2.1 引言25
• §2.2 形状记忆合金基本特性25-27
• §2.2.1 形状记忆效应25-27
• §2.2.2 伪弹性、超弹性27
• §2.3 形状记忆合金力学模型27-31
• §2.3.1 形状记忆合金本构模型27-29
• §2.3.2 形状记忆合金回复应力模型29-30
• §2.3.3 对流传热模型30-31
• §2.4 形状记忆合金性能测试31-39
• §2.4.1 实验设备31-32
• §2.4.2 恒定温度下应力应变测试32-33
• §2.4.3 最大可回复应变测试33-34
• §2.4.4 回复力测试34-38
• §2.4.5 基于实验结果的回复力模型38-39
• §2.5 本章小结39-40
• 第三章 变形体机翼模型设计40-59
• §3.1 引言40
• §3.2 形状记忆合金驱动器作动原理40-45
• §3.2.1 形状记忆合金驱动器基本概念40-42
• §3.2.2 形状记忆合金作动原理实验验证42-45
• §3.3 模型基体结构设计及变形方案45-48
• §3.3.1 模型基体结构设计45-47
• §3.3.2 模型变形方案47-48
• §3.4 柔性结构设计48-52
• §3.4.1 柔性结构力学建模48-51
• §3.4.2 柔性结构关键尺寸设计51-52
• §3.5 有限元模型52-56
• §3.5.1 形状记忆合金建模52-53
• §3.5.2 无气动载荷状态下模型变形结果分析53-55
• §3.5.3 模型强度校核55-56
• §3.6 地面实验56-58
• §3.7 本章小结58-59
• 第四章 变形体机翼风洞试验研究59-82
• §4.1 引言59
• §4.2 试验内容59-65
• §4.2.1 试验风洞59
• §4.2.2 试验模型59-60
• §4.2.3 试验项目60
• §4.2.4 测量设备与方法60-65
• §4.3 试验数据分析65-80
• §4.3.1 测压数据处理65-66
• §4.3.2 变形测量数据分析66-70
• §4.3.3 上翼面压力分布分析70-78
• §4.3.4 PSP测压数据分析78-80
• §4.4 本章小结80-82
• 第五章 变形体机翼流固耦合数值模拟初探82-95
• §5.1 引言82
• §5.2 流固耦合数值计算方法82-85
• §5.3 网格验证85-86
• §5.4 气动/结构耦合作用下变形分析86-94
• §5.4.1 计算值与实验值对比86-88
• §5.4.2 变形前后绕流特性分析88-92
• §5.4.3 变形量与气动力系数分析92-94
• §5.5 本章小结94-95
• 第六章 总结与展望95-98
• §6.1 论文研究成果95-96
• §6.2 论文创新点96
• §6.3 工作展望96-98
• 致谢98-99
• 个人简介及攻读硕士学位期间发表的论文99-100
• 参考文献100-105

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 董二宝;智能变形飞行器结构实现机制与若干关键技术研究[D];中国科学技术大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 许新;超临界翼型激波诱导分离及其雷诺数影响研究[D];中国空气动力研究与发展中心;2013年

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本文编号：728203