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变高度、变倾角的翼梢小翼驱动技术研究

作　者: 李伟
导　师: 熊克
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 工程力学
关键词: 翼梢小翼变形驱动技术增升减阻翼尖涡
分类号: V224.4
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

减阻是飞机设计的主要任务之一，翼梢小翼能有效降低飞机的诱导阻力。传统翼梢小翼仅面向巡航状态优化，而在起飞、爬升等非设计状态的减阻效率较低。针对该问题，本文研究了一种可变高度和倾斜角的变体翼梢小翼，能根据飞机的飞行状态主动改变自身的高度和倾斜角，实现整个飞行包线内实时优化飞机阻力特性的目的。本文的研究工作重点围绕以下三方面进行：首先，研究了变体翼梢小翼的变形方式和变形范围问题。翼梢小翼的参数类型较多，各参数对小翼减阻效率的影响程度也不同，变体翼梢小翼应改变哪些参数、以及这些参数在什么范围内变化，是研究变体翼梢小翼面临的首要问题。针对变形方式问题，本文采用Plackett-Burman试验设计分析了小翼的各类几何参数对减阻效率的影响程度，筛选出对小翼减阻效率影响最大的关键参数，以此为依据指出了变体翼梢小翼的变形方式。在此基础上，采用响应曲面设计得到了小翼的关键参数在起飞、爬升和巡航阶段的最佳值，确定了小翼关键参数的变形范围。研究结果表明，翼梢小翼的高度和倾斜角是影响其减阻效率的关键参数，因此变体翼梢小翼应该通过改变高度和倾斜角的方式来提高起飞、爬升阶段的减阻效率。其次，研究了变体翼梢小翼的驱动技术。以变体翼梢小翼的变形方式和变形范围为依据，本文提出了三种驱动机构——用于变高度翼梢小翼的伸缩栅格、用于变倾角翼梢小翼的主动弯曲梁、以及用于高度和倾斜角复合式变形的差动式伸缩栅格。通过数值模拟和模型实验研究了三种驱动机构的运动特性，推导了机构的运动方程，并研究了相应的控制方法。研究结果显示，三种驱动机构可以实现变体翼梢小翼所需的变形动作。第三，研究了变体翼梢小翼的气动收益问题。本文采用计算流体力学（CFD）与风洞实验相结合的方法，分析了变体翼梢小翼变形前与变形后对机翼展向载荷分布、翼梢尾涡流场控制、机翼的升阻力和翼根弯矩的影响。研究结果表明，变体翼梢小翼不仅能显著改善飞机起飞阶段的气动效率，还能进一步削弱翼尖尾涡强度。其中，变高度的变形方式获得的气动收益最大，高度和倾斜角复合式变形获得的气动收益次之，而变倾斜角的变形方式获得的气动收益最小。但是，三种变形方式都会引起气动载荷向机翼翼尖区集中，带来额外的翼根弯矩增量，因此必须保证变形幅度不得超过预设的变形范围，否则会损害机翼结构的安全。本文研究工作在机械结构力学及控制国家重点实验室完成，并得到了国家自然科学基金项目“用于近空间飞行器仿生机翼的驱动器基础研究”（项目批准号：90605003）的资助。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-17
第一章绪论  17-33
  1.1 研究背景  17-20
  1.2 国外研究现状  20-28
    1.2.1 空气动力学特性  20-21
    1.2.2 关键参数筛选  21
    1.2.3 变形方式选择  21-22
    1.2.4 驱动机构设计  22-28
  1.3 国内研究进展  28-31
    1.3.1 空气动力学特性  28-29
    1.3.2 关键参数筛选  29
    1.3.3 变形方式选择  29
    1.3.4 驱动机构设计  29-31
  1.4 本文的研究内容  31-33
第二章变体翼梢小翼的变形方式和变形范围  33-48
  2.1 翼梢小翼的工作原理与参数类型  33-37
    2.1.1 翼梢小翼的空气动力学原理  33-35
    2.1.2 翼梢小翼的参数类型  35-36
    2.1.3 翼梢小翼的设计原则与设计方法  36-37
  2.2 变体翼梢小翼的变形方式  37-44
    2.2.1 Plackett-Burman 试验设计  37-39
    2.2.2 基于压缩修正的三维涡格法  39-41
    2.2.3 影响翼梢小翼减阻效率的关键参数  41-43
    2.2.4 变体翼梢小翼的变形方式  43-44
  2.3 变体翼梢小翼的变形范围  44-47
    2.3.1 响应曲面设计  44-45
    2.3.2 翼梢小翼的关键参数在高速状态的最佳值  45
    2.3.3 翼梢小翼的关键参数在低速状态的最佳值  45-46
    2.3.4 变体翼梢小翼的变形范围  46-47
  2.4 本章小结  47-48
第三章用于变高度翼梢小翼的伸缩栅格  48-70
  3.1 变高度翼梢小翼驱动机构的技术要求  48
  3.2 伸缩栅格的工作原理  48-50
  3.3 伸缩栅格的运动学特性  50-53
    3.3.1 伸缩栅格的受力分析  50
    3.3.2 伸缩栅格的运动方程  50-51
    3.3.3 伸缩栅格的运动学数值模拟  51-53
  3.4 伸缩栅格的控制方法  53-57
    3.4.1 步进电机的原理与特性  53
    3.4.2 步进电机的控制方法  53-55
    3.4.3 伸缩栅格的开环控制实验  55-57
  3.5 伸缩栅格的运动学特性实验  57
  3.6 变高度翼梢小翼的气动收益  57-68
    3.6.1 变高度翼梢小翼的气动特性数值模拟  58-64
    3.6.2 变高度翼梢小翼的风洞实验  64-68
  3.7 本章小结  68-70
第四章用于变倾斜角翼梢小翼的 SMA 弹簧驱动机构  70-94
  4.1 变倾斜角翼梢小翼驱动机构的技术要求  70
  4.2 SMA 弹簧驱动机构的工作原理  70-71
  4.3 SMA 弹簧驱动器设计  71-74
    4.3.1 SMA 弹簧驱动器的基本状态方程  71-72
    4.3.2 SMA 弹簧驱动器的设计方法  72-73
    4.3.3 SMA 弹簧驱动器的力-电-热耦合特性  73-74
  4.4 SMA 弹簧驱动机构的力学特性  74-77
    4.4.1 SMA 弹簧驱动机构的受力分析  74-75
    4.4.2 SMA 弹簧驱动机构的运动方程  75
    4.4.3 SMA 弹簧驱动机构的变形特性数值模拟  75-77
  4.5 SMA 弹簧驱动机构的控制方法  77-82
    4.5.1 SMA 驱动器的典型控制方法  77
    4.5.2 SMA 弹簧驱动机构的闭环控制方法  77-78
    4.5.3 变倾角翼梢小翼的闭环控制实验  78-82
  4.6 变倾斜角翼梢小翼的变形特性实验  82-85
    4.6.1 无气动载荷条件下的变形特性  82-83
    4.6.2 有气动载荷条件下的变形特性  83-85
  4.7 变倾角翼梢小翼的气动收益  85-92
    4.7.1 变倾角翼梢小翼的气动特性数值模拟  85-89
    4.7.2 变倾角翼梢小翼的风洞实验  89-92
  4.8 本章小结  92-94
第五章高度和倾斜角复合式变形的翼梢小翼驱动机构初步研究  94-113
  5.1 驱动机构的技术要求  94
  5.2 驱动机构的工作原理  94-96
  5.3 差动式伸缩栅格的运动学特性  96-102
    5.3.1 差动式伸缩栅格的受力分析  96-98
    5.3.2 差动式伸缩栅格的运动方程  98-99
    5.3.3 差动式伸缩栅格的运动学数值模拟  99-102
  5.4 差动式伸缩栅格模型实验  102-104
    5.4.1 变高度过程的运动学特性  103-104
    5.4.2 变倾斜角过程的运动学特性  104
  5.5 可变高度和倾斜角翼梢小翼的气动收益  104-111
    5.5.1 可变高度和倾斜角翼梢小翼的气动特性数值模拟  104-109
    5.5.2 可变高度和倾斜角翼梢小翼的风洞实验  109-111
  5.6 本章小结  111-113
第六章总结与展望  113-116
  6.1 全文总结  113-114
  6.2 创新与贡献  114
  6.3 存在的问题及研究展望  114-116
参考文献  116-124
致谢  124-125
在学期间的研究成果及发表的学术论文  125

变高度、变倾角的翼梢小翼驱动技术研究

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