飞行器气动弹性风洞试验模型的跨尺度设计与可控成形

气动弹性(简称气弹)风洞试验对飞行器研制不可或缺，其试验模型与飞行器既要求外形相似，又要求刚度分布与质量分布相似、振型相同，设计与制造困难，故提出跨尺度设计与可控成形新思想：①与传统气弹风洞试验模型设计法(结构优化、概率设计、变刚度梁设计等)不同，本项目通过微观填料（如纳/微米级颗粒或纤维）强化几何和宏观构型的跨尺度配合优化，为有外形、质量、刚度与振型约束的产品提供新的设计观念；②通过微观填料的三维几何设计，控制高聚物的材料性能，实现宏观刚度与强度性能"剪裁"设计，并结合快速成型工艺，较之现有复合材料气弹模型则有低得多的材料和制造成本、极短的制造周期，较轻木等传统气弹模型有更高的外形、刚度、质量与振型模拟精度；③结合风洞实验与理论分析，研究成形结构在复杂流动下响应行为特性，为跨尺度优化与成形提供理论依据和验证。构建（飞机）气弹风洞试验模型研制新方法、新工艺的思想基础，探索新的制造观念。

通过仅有外形相似的刚性风洞模型，风洞试验无法模拟飞行器的气动力响应特性，即不能反映飞行器的气动弹性（简称气弹）现象（如颤振、变形发散、抖振、操纵反效以及突风响应等），而气弹对飞行器的操纵性与安全性有巨大影响。因此，军用飞行器源于高机动、高机敏、高隐身等发展方向，（大型）民机出于飞行安全、适航认证等原因，不论是主动利用还是避开气弹现象以实现最优的刚度与质量的分布，都须进行全机（至少是半模）的气弹风洞试验。既为飞行器定型和成功飞行提供依据，又为气弹工程设计方法提供建模数据，验证非线性气弹数值计算方法。.气弹风洞试验模型复合材料化成为国内外的发展趋势，但是，我国复合材料气弹风洞模型的广泛应用尚待解决以下问题：① 复合材料通过刚度方向性来控制翼面的结构动力学特性，共固化实现整体成形，但铺层不对称、在给定方向上存在刚度与膨胀特性上的差异时，可引起翘曲变形甚至分层，加之飞机的气弹试验模型属梁架承力的薄壁结构，热应力与热应变难以消除；② 复合材料的力学性能分析须考虑增强体结构形式、制造工艺和环境等因素，传统气动弹性数值模拟方法难以胜任；③ 气弹风洞试验模型属单件、小批量生产，工艺自动化程度低、制成模型的动力学响应指标的误差较大且不稳定。.因此，通过微观填料强化的几何结构设计，以便在宏观构型成形时控制高聚物的材料特性，使用聚乙烯醇，无机相为粘土，构成有序的“砖石-泥灰” 微观结构(Brick and mortar)，相比纯的高分子材料，其材料机械性能得到了很大的提高，特别是杨氏模量提高了一个数量级；通过构造统一的计算流体动力学（CFD）/计算结构动力学（CSD）耦合数值模拟网格模型，准确模拟非线性结构/气动力耦合作用过程，以驱动梁、肋、蒙皮的几何参数与材料参数的耦合设计，提出可自由变形的物面网格扰动的参数化方法，构建CFD/CSD耦合仿真结果驱动的可行域扰动的参数化模型，以减少设计变量，优化填料强化的序列结构与梁、肋、蒙皮的几何参数，控制宏观结构的刚度分布、质量分布特性参数；结合成熟的高聚物快速成型工艺较之传统复合材料气弹模型，则有低得多的材料和制造成本、极短的制造周期（一周内），以及较轻木、硬泡沫塑料或硅橡胶等传统材料气弹模型有更高的气动外形、刚度与振型模拟精度。项目组发表论文13篇，EI检索13篇，航空学报录用2篇，取得国家发明专利3项、申请国家发明专利3项、实用新型专利1个。