CN114117950B - 一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，定义虚拟气动力做功为广义气动力与广义位移的乘积，通过在亚迭代中实时计算虚拟气动力做功，并通过时域数据发展的阻尼特性判断气动力对结构做功的情况，进而判断飞行器的颤振是否发散。本发明虚拟气动力做功相对广义位移为先验指标，可以及早发现气动弹性发散现象，有效减少数值模拟需要的时间代价，具有较高的工程应用价值。

Description

一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法
技术领域
本发明涉及一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，属于航空航天总体设计技术领域。
背景技术
可重复使用天地往返飞行器器飞行过程中，经历跨空域、跨速域飞行。在高速大攻角再入过程中，由于气流分离易产生气动弹性发散现象，表现为升力面振动小阻尼发散。传统的基于频率的数值方法无法精确模拟此类发散现象，有效的数值预示手段是基于CFD的时域耦合分析方法。
通过耦合CFD与结构动力学方程，时域上在物理时间步内进行流体和结构的数据传递和迭代，通过判断广义气动力作用下广义位移是否发散，判断颤振等气动弹性发散行为是否出现，是目前主流的研究手段。对于天地往返这类复杂外形飞行器，CFD计算网格在1000万以上才能保证足够的计算精度。由于计算均在时域内开展，为了精确模拟非定常流动现象，物理时间步长需设定在1ms以下。在此分析框架内，完成耦合计算需要的时间代价及对计算机的资源消耗非常大。构建早于广义位移发散的指标，预示气动弹性系统是否发散，具有重要的工程应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，定义虚拟气动力做功为广义气动力与广义位移的乘积，通过在迭代计算中实时计算虚拟气动力做功，并通过时域数据发展的阻尼特性判断气动力对结构做功的情况，进而判断飞行器的颤振是否发散。本发明虚拟气动力做功相对广义位移为先验指标，可以及早发现气动弹性发散现象，有效减少数值模拟需要的时间代价，具有较高的工程应用价值。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，包括以下步骤：
S1构建用于飞行器颤振发散预示的虚拟广义气动力做功指标；所述虚拟广义气动力做功指标包括wt，wt+1，……wt+n，其中wt，wt+1，……wt+n分别为t，t+1，……t+n时刻的广义气动力与t时刻广义位移的乘积，
Figure BDA0003326959010000021
其中Ttorsion为飞行器最低阶扭转周期，α为物理时间步长；
S2计算t时刻的广义气动力和广义位移；
S3根据t+i时刻的广义位移得到t+i+1时刻的广义气动力和广义位移，直至得到t+n时刻的广义气动力，0＜i＜n；
S4计算t，t+1，……t+n时刻的广义气动力与t时刻广义位移的乘积，得到wt，wt+1，……wt+n；
S5采用ARMA方法分别判断wt，wt+1，……wt+n时域数据发展的阻尼特性，当wt，wt+1，……wt+n的阻尼特性一致时，执行步骤S6，当wt，wt+1，……wt+n的阻尼特性不一致时，使t+1＝t，并返回步骤S2；
S6根据wt，wt+1，……wt+n时域数据的阻尼特性，判断飞行器颤振是否发散。
进一步的，所述
Figure BDA0003326959010000022
k≥4，n＝2k-2-1。
进一步的，所述
Figure BDA0003326959010000023
n＝3。
进一步的，所述步骤S1和S4中，广义位移为飞行器一个振动模态下的广义位移；所述S6中，根据wt，wt+1，……wt+n判断飞行器颤振在所述其中一个振动模态下是否发散。
进一步的，一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，还包括：
S7使步骤S1和S4中的广义位移为飞行器另一个振动模态下的广义位移，并重复步骤S1～S6，判断飞行器颤振在所述另一个振动模态下是否发散；
S8按照需求重复步骤S7，得到飞行器颤振在≥2个振动模态下的发散情况。
进一步的，所述步骤S2中，根据t时刻的CFD计算网格计算t时刻的广义气动力，将t时刻的广义气动力代入结构动力学方程，并求解结构动力学方程后，得到t时刻各阶模态的广义位移。
进一步的，所述步骤S3中，将t+i时刻各阶模态的广义位移求和得到三维全局位移，根据三维全局位移形成t+i+1时刻的CFD计算网格，根据t+i+1时刻的CFD计算网格得到t+i+1时刻的广义气动力和广义位移，直至得到t+n时刻的广义气动力，0＜i＜n。
进一步的，所述步骤S6中，当wt，wt+1，……wt+n时域数据发展的阻尼均为负，即wt，wt+1，……wt+n均呈发散趋势，判断为飞行器颤振发散；当wt，wt+1，……wt+n时域数据发展的阻尼均为正，即wt，wt+1，……wt+n均呈收敛趋势，判断为飞行器颤振不发散。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，创新性的提出了一种用于飞行器颤振发散预示的虚拟广义气动力做功指标组合，相对于只采用气动力做功指标，可以避免对气动力先做正功后做负功情况的误判，提高预示准确性；
(2)本发明一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法中，虚拟广义气动力做功指标定义为广义气动力与广义位移的乘积，广义气动力和广义位移均是计算得到的直接物理量，不需要增加其它额外计算，计算过程简单，适用性强；
(3)本发明一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法中，通过多个虚拟广义气动力做功指标wt，wt+1，……wt+n构建预估体系，相对于单一指标，有利于提高预示准确性和可靠性；
(4)本发明一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法中，采用ARMA方法判断时域数据的阻尼特性，可以避免对气动力先做正功后做负功情况的误判，提高预示准确性；
(5)本发明一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，还提供了多个虚拟广义气动力做功指标的合理数量，能够在缩短计算时间的同时实现颤振趋势的有效预测；
(6)本发明一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，可以及早发现气动弹性发散现象，有效减少数值模拟需要的时间代价，具有较高的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明计算广义气动力和广义位移所采用的气动弹性耦合计算策略框图；
图2为典型的天地往返飞行器表面气动网格(CFD计算网格)；
图3为典型的天地往返飞行器三维气动力；其中(a)为飞行器整体三维气动力，(b)为机翼三维气动力；
图4为本发明指标为广义气动力做正功情况的时域数据；
图5为本发明指标为广义气动力做负功情况的时域数据。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明提出一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，适用于面对称升力体外形(如图2和图3所示)飞行器颤振发散预示。天地往返运载器区别于传统轴对称体火箭布局，一般采用翼身组合体多舵面复杂气动布局，颤振等气动弹性发散是这一类飞行器容易发生的现象。发生气动弹性发散时，结构振动表现为振幅逐渐增加。数值模拟方法是预示气动弹性发散的有效手段。通过耦合CFD与结构动力学方程，时域上在物理时间步内进行流体和结构的数据传递和迭代，通过判断广义气动力作用下广义位移是否发散，判断颤振等气动弹性发散行为是否出现，是目前主流的研究手段。本发明提出一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，通过建立虚拟广义气动力做功指标，预示颤振等气动弹性发散现象是否发生，定义虚拟气动力做功为广义气动力与广义位移的乘积。广义气动力做功随时间变化，为时域数据。通过ARMA方法判断数据发展的阻尼特性。如果阻尼为负(时域数据呈发散趋势)，则认为广义气动力做正功(如图4所示)，表示颤振发生；如果阻尼为正(时域数据呈收敛趋势)，则认为广义气动力做负功(如图5所示)，表示颤振不发生。
由于广义位移发散比广义气动力做功发散滞后，本发明通过虚拟广义气动力做功预示发散相对广义位移预示发散具有先验性，可以及早发现气动弹性发散现象，缩短数值仿真所需要的时间，具有较高的工程应用价值。
具体的说，本发明一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，构建了多指标联合判断体系，分别通过计算t，t+1，……t+n时刻广义气动力与t时刻广义位移的乘积，构建一系列预示指标。如果各指标指示的广义气动力做功性质一致(做正功或负功)，且只有各指标一致时，才能确认颤振是否发生。
本发明进一步建立了数值计算物理时间步长和结构最低阶扭转周期Ttorsion的对应关系，在一种优选的实施方式中，物理时间步长取为最低阶扭转周期Ttorsion的1/16。
本发明进一步优选n＝3，在缩短计算时间的同时实现颤振趋势的有效预测，即虚拟广义气动力做功指标包括wt，wt+1，wt+2，wt+3共4个指标，通过ARMA方法实时分析广义气动力做功的阻尼特性。如果上述4个指标得到的阻尼特性结果不一致，则将t向后移一个物理时间步长，继续开展数值仿真，直到阻尼特性预示结果一致为止。广义气动力做负功，表示颤振不发生；广义气动力做正功，表示颤振发生。
本发明的技术解决方案是一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，，如图1所示，包括如下步骤：
(1)建立虚拟广义气动力做功指标w，预示颤振等气动弹性发散现象是否发生；
(2)定义虚拟广义气动力做功指标为广义气动力与广义位移的乘积；
(3)通过分别计算t，t+1，……t+n时刻广义气动力与t时刻广义位移的乘积wt，wt+1，……wt+n，构建预估校正体系，提高预示精度；本步骤中，通过在每个物理时间步内和相近物理时间步内计算广义气动力与广义位移的乘积(表征虚拟气动力做功)，判断气动力对结构的做功情况；
(4)通过ARMA方法实时分析广义气动力做功的阻尼特性，直到各指标的阻尼特性预示结果一致为止。广义气动力做负功，表示颤振不发生；广义气动力做正功，表示颤振发生。
步骤(2)中，构建气动弹性耦合数值计算策略，采用松耦合方法：将CFD计算得到的三维气动力通过插值函数插值到模态空间，形成广义气动力；求解结构动力学方法，获得广义气动力作用下的广义位移；将广义位移转换为全局位移，并完成CFD网格变形；重新采用CFD计算三维气动力，一个物理时间步内的迭代完成；开始下一个迭代步，直至时域内全部计算完成。
筛选气动力对结构做正功的模态，通过辨识气动力做功随时间的变化趋势，确定各阶模态下气动力对结构的做功情况。通过此办法，可以实现及早预示气动弹性系统是否发散。如图4和图5，为wt，wt+1，……wt+n中某个指标的时域数据，也就是说，wt，wt+1，……wt+n分别可能为图4所示的发散趋势，此时广义气动力做正功，或者为图5所示的收敛趋势，此时广义气动力做负功。当wt，wt+1，……wt+n共n+1个指标时，共形成n+1条如图4或图5所示的数据曲线，wt所对应的曲线中的数据点的纵坐标分别为t时刻的广义气动力×t时刻的广义位移、t+1时刻的广义气动力×t+1时刻的广义位移、t+2时刻的广义气动力×t+2时刻的广义位移……t+j时刻的广义气动力×t+j时刻的广义位移；wt+1所对应的曲线中的数据点的纵坐标分别为t+1时刻的广义气动力×t时刻的广义位移、t+2时刻的广义气动力×t+1时刻的广义位移、t+3时刻的广义气动力×t+2时刻的广义位移……t+j时刻的广义气动力×t+j-1时刻的广义位移，以此类推。如果wt，wt+1，……wt+n趋势相同，即采用ARMA方法得到的时域数据发展的阻尼特性一致，则能预示飞行器颤振是否发散，如果wt，wt+1，……wt+n中有大于等于一个指标与其它指标趋势不相同，即采用ARMA方法得到的时域数据发展的阻尼特性不一致，则使wt所对应的曲线中的数据点的纵坐标分别为t+1时刻的广义气动力×t+1时刻的广义位移、t+2时刻的广义气动力×t+2时刻的广义位移、t+3时刻的广义气动力×t+3时刻的广义位移，……t+j+1时刻的广义气动力×t+j+1时刻的广义位移；wt+1所对应的曲线中的数据点的纵坐标分别为t+2时刻的广义气动力×t+1时刻的广义位移、t+3时刻的广义气动力×t+2时刻的广义位移、t+4时刻的广义气动力×t+3时刻的广义位移……t+j+1时刻的广义气动力×t+j时刻的广义位移，以此类推。
实施例1：
本实施例对本发明作进一步详细的说明：
本发明一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，建立虚拟广义气动力做功指标，预示颤振等气动弹性发散现象是否发生；定义虚拟广义气动力做功指标为广义气动力与广义位移的乘积；通过计算t，t+1，……t+n时刻广义气动力与t时刻广义位移构建预估校体系，提高预示精度。
具体步骤如下：
(一)建立虚拟广义气动力做功指标
判断时域下流体和结构耦合的气动弹性系统是否发散，常用的办法是分析广义位移的发展趋势。对于小阻尼系统，广义位移发散缓慢，需要消耗大量的计算资源。定义虚拟广义气动力做功指标为广义气动力与广义位移的乘积。通过虚拟广义气动力做功指标判断发散，具有明确的物理意义和先验性。
(二)分析广义气动力与广义位移乘积的变化趋势
采用松耦合计算方法，将CFD计算得到的三维气动力向模态空间插值得到广义气动力；在模态空间内，求解结构动力学方程，得到广义位移。一个典型的气动弹性松耦合迭代计算，具体步骤如下：
步骤(1)、t时刻广义气动力计算
将CFD计算得到的三维气动力通过插值函数插值到模态空间，得到广义气动力。
步骤(2)、t时刻广义位移计算
结构动力学方程右端的外力用步骤(1)得到的广义气动力替换，求解常微分结构动力学方程，得到各阶模态的广义位移。
步骤(3)、t时刻全局位移计算
通过模态叠加方法，将各阶模态广义位移求和，得到结构的三维全局位移。
步骤(4)、t时刻网格变形
通过网格变形方法，根据步骤(3)得到的三维全局位移，形成新的CFD计算网格。
步骤(5)、t+1时刻广义气动力计算
重新按照步骤(1)，进行t+1时刻物理时间步的耦合计算，直至所有物理时间步计算完成。
分别采用t时刻广义气动力与广义位移乘积……t+n时刻广义气动力与t时刻广义位移的乘积作为虚拟广义气动力做功的指标，通过分析虚拟广义气动力做功的变化趋势，预先判断振动是否发散。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1构建用于飞行器颤振发散预示的虚拟广义气动力做功指标；所述虚拟广义气动力做功指标包括wt，wt+1，……wt+n，其中wt，wt+1，……wt+n分别为t，t+1，……t+n时刻的广义气动力与t时刻广义位移的乘积，
Figure FDA0003326957000000011
其中Ttorsion为飞行器最低阶扭转周期，α为物理时间步长；
S2计算t时刻的广义气动力和广义位移；
S3根据t+i时刻的广义位移得到t+i+1时刻的广义气动力和广义位移，直至得到t+n时刻的广义气动力，0＜i＜n；
S4计算t，t+1，……t+n时刻的广义气动力与t时刻广义位移的乘积，得到wt，wt+1，……wt+n；
S5采用ARMA方法分别判断wt，wt+1，……wt+n时域数据发展的阻尼特性，当wt，wt+1，……wt+n的阻尼特性一致时，执行步骤S6，当wt，wt+1，……wt+n的阻尼特性不一致时，使t+1＝t，并返回步骤S2；
S6根据wt，wt+1，……wt+n时域数据的阻尼特性，判断飞行器颤振是否发散。
2.根据权利要求1所述的一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，其特征在于，所述
Figure FDA0003326957000000012
k≥4，n＝2k-2-1。
3.根据权利要求1所述的一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，其特征在于，所述
Figure FDA0003326957000000013
n＝3。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，其特征在于，所述步骤S1和S4中，广义位移为飞行器一个振动模态下的广义位移；所述S6中，根据wt，wt+1，……wt+n判断飞行器颤振在所述其中一个振动模态下是否发散。
5.根据权利要求4所述的一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，其特征在于，还包括：
S7使步骤S1和S4中的广义位移为飞行器另一个振动模态下的广义位移，并重复步骤S1～S6，判断飞行器颤振在所述另一个振动模态下是否发散；
S8按照需求重复步骤S7，得到飞行器颤振在≥2个振动模态下的发散情况。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据t时刻的CFD计算网格计算t时刻的广义气动力，将t时刻的广义气动力代入结构动力学方程，并求解结构动力学方程后，得到t时刻各阶模态的广义位移。
7.根据权利要求6所述的一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，其特征在于，所述步骤S3中，将t+i时刻各阶模态的广义位移求和得到三维全局位移，根据三维全局位移形成t+i+1时刻的CFD计算网格，根据t+i+1时刻的CFD计算网格得到t+i+1时刻的广义气动力和广义位移，直至得到t+n时刻的广义气动力，0＜i＜n。
8.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于做功原理的天地往返飞行器颤振判断方法，其特征在于，所述步骤S6中，当wt，wt+1，……wt+n时域数据发展的阻尼均为负，wt，wt+1，……wt+n均呈发散趋势，判断为飞行器颤振发散；当wt，wt+1，……wt+n时域数据发展的阻尼均为正，wt，wt+1，……wt+n均呈收敛趋势，判断为飞行器颤振不发散。
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