《飛行器氣動彈性風洞試驗模型的跨尺度設計與可控成形》是依託中國空氣動力研究與發展中心，由張征宇擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：飛行器氣動彈性風洞試驗模型的跨尺度設計與可控成形
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張征宇
- 依託單位：中國空氣動力研究與發展中心
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
氣動彈性(簡稱氣彈)風洞試驗對飛行器研製不可或缺，其試驗模型與飛行器既要求外形相似，又要求剛度分布與質量分布相似、振型相同，設計與製造困難，故提出跨尺度設計與可控成形新思想：①與傳統氣彈風洞試驗模型設計法(結構最佳化、機率設計、變剛度梁設計等)不同，本項目通過微觀填料（如納/微米級顆粒或纖維）強化幾何和巨觀構型的跨尺度配合最佳化，為有外形、質量、剛度與振型約束的產品提供新的設計觀念；②通過微觀填料的三維幾何設計，控制高聚物的材料性能，實現巨觀剛度與強度性能剪裁設計，並結合快速成型工藝，較之現有複合材料氣彈模型則有低得多的材料和製造成本、極短的製造周期，較輕木等傳統氣彈模型有更高的外形、剛度、質量與振型模擬精度；③結合風洞實驗與理論分析，研究成形結構在複雜流動下回響行為特性，為跨尺度最佳化與成形提供理論依據和驗證。構建（飛機）氣彈風洞試驗模型研製新方法、新工藝的思想基礎，探索新的製造觀念。
結題摘要
通過僅有外形相似的剛性風洞模型，風洞試驗無法模擬飛行器的氣動力回響特性，即不能反映飛行器的氣動彈性（簡稱氣彈）現象（如顫振、變形發散、抖振、操縱反效以及突風回響等），而氣彈對飛行器的操縱性與安全性有巨大影響。因此，軍用飛行器源於高機動、高機敏、高隱身等發展方向，（大型）民機出於飛行安全、適航認證等原因，不論是主動利用還是避開氣彈現象以實現最優的剛度與質量的分布，都須進行全機（至少是半模）的氣彈風洞試驗。既為飛行器定型和成功飛行提供依據，又為氣彈工程設計方法提供建模數據，驗證非線性氣彈數值計算方法。 氣彈風洞試驗模型複合材料化成為國內外的發展趨勢，但是，我國複合材料氣彈風洞模型的廣泛套用尚待解決以下問題：① 複合材料通過剛度方向性來控制翼面的結構動力學特性，共固化實現整體成形，但鋪層不對稱、在給定方向上存在剛度與膨脹特性上的差異時，可引起翹曲變形甚至分層，加之飛機的氣彈試驗模型屬梁架承力的薄壁結構，熱應力與熱應變難以消除；② 複合材料的力學性能分析須考慮增強體結構形式、製造工藝和環境等因素，傳統氣動彈性數值模擬方法難以勝任；③ 氣彈風洞試驗模型屬單件、小批量生產，工藝自動化程度低、製成模型的動力學回響指標的誤差較大且不穩定。 因此，通過微觀填料強化的幾何結構設計，以便在巨觀構型成形時控制高聚物的材料特性，使用聚乙烯醇，無機相為粘土，構成有序的“磚石-泥灰” 微觀結構(Brick and mortar)，相比純的高分子材料，其材料機械性能得到了很大的提高，特別是楊氏模量提高了一個數量級；通過構造統一的計算流體動力學（CFD）/計算結構動力學（CSD）耦合數值模擬格線模型，準確模擬非線性結構/氣動力耦合作用過程，以驅動梁、肋、蒙皮的幾何參數與材料參數的耦合設計，提出可自由變形的物面格線擾動的參數化方法，構建CFD/CSD耦合仿真結果驅動的可行域擾動的參數化模型，以減少設計變數，最佳化填料強化的序列結構與梁、肋、蒙皮的幾何參數，控制巨觀結構的剛度分布、質量分布特性參數；結合成熟的高聚物快速成型工藝較之傳統複合材料氣彈模型，則有低得多的材料和製造成本、極短的製造周期（一周內），以及較輕木、硬泡沫塑膠或矽橡膠等傳統材料氣彈模型有更高的氣動外形、剛度與振型模擬精度。項目組發表論文13篇，EI檢索13篇，航空學報錄用2篇，取得國家發明專利3項、申請國家發明專利3項、實用新型專利1個。
