充气变体结构的非线性力学行为及其应用

本项目针对充气变体飞机机翼技术、高空飞艇舵面设计分析以及空间柔性结构的振动控制等技术的发展需要，通过理论分析与实验验证相结合的手段，重点研究充气机翼的非线性结构动力学问题和气弹特性问题，并探索基于新概念"充气加筋"变结构技术的空间柔性结构的振动控制方法。通过项目研究，拟建立可考虑充气内压效应和局部褶皱失效影响的充气结构非线性动力分析方法；揭示充气机翼的气动弹性耦合机理，建立充气机翼的动气弹稳定性和充气结构局部褶皱失稳一体化方法；建立基于"充气加筋"变结构技术的空间柔性体结构振动控制的分析理论和控制方法，并以典型的柔性展开太阳能帆板结构为研究对象，设计制作简化模型，开展相关试验研究来验证该半主动变结构振动控制技术的有效性。项目研究成果将为充气变体结构技术在航空航天领域的拓展应用提供有力的基础技术支撑。

充气变体结构在航空航天工程领域正表现出了越来越吸引人的应用前景，潜在的应用领域包括带充气机翼的变体飞机，高空飞艇、展开结构的主动控制等。为满足这些技术的发展需要，项目将重点放在充气结构的非线性力学行为和充气机翼的气动弹性行为。项目另一项主要任务则是开发适用于空间柔性结构的振动与冲击减缓的主动控制方法。. 通过项目研究，项目掌握了薄膜褶皱行为的分析方法，并将其应用于充气悬臂管和充气悬臂机翼的褶皱行为分析，可以实现褶皱波纹、区域、扩展过程的分析。并且研究了非线性问题的等效线性处理方法，将褶皱扩展过程等效处理的截面刚度的退化行为，针对充气机翼建立了简化梁模型，也准确实现了充气机翼的褶皱失效分析。. 充气软机翼与传统光滑硬机翼相比，最大的差异充气机翼的表面有许多片条状的鼓包，这种外形对气动特性、气弹行为的影响是一个值得关注的问题。项目设计制作了保持翼型外围尺寸和结构刚度特性相当的传统光滑机翼和凹凸表面机翼模型，开展了相应的风洞试验和计算分析。研究结果表明：凹凸表面外形可增加翼型的失速攻角，但其升力线斜率及升阻比都较光滑翼型要小。凹凸表面翼型在每一个凹槽区生成驻涡，驻涡的外移改变了机翼后缘的尾涡形成，推迟了分离，使得失速攻角增大。升力线斜率的降低，使得凹凸表面机翼的颤振速度要略高于传统光滑机翼。对充气直机翼而言，其静气弹的失稳边界比其颤振失速边界更加值得关注。. 充气筋可折叠，为空间可展开柔性结构的振动控制提供了一种新的变结构控制手段。项目设计制作了柔性悬臂板作为被控对象，并分别设计制作了面内充气加筋方案、面外充气加筋方案和主动气动肌腱方案，开展了相应振动半主动和主动的振动研究。试验结果验证了利用充气加筋方案进行柔性结构振动控制的可行性。半主动的面内充气筋在附加刚度匹配适当的条件下，可有效抑制高频模态振动，但难以抑制瞬态激励带来的瞬态振动。半主动的面外充气筋方案对主结构带来的附加刚度贡献要大于面内充气加筋方案，相应其对低阶振动模态的控制效果更为显著。基于主动气动肌腱控制方法的适用范围和控制效果明显好于半主动充气筋。