● 摘要
飞行载荷分析是一个复杂的涉及气动、结构和控制等多学科的综合性问题。现代飞机不断追求大尺寸、结构重量轻、飞行速度高、复杂新构型等，导致飞机柔性增大，结构变形加剧，气动弹性效应更加显著，因此研究考虑结构弹性变形之后的飞行载荷是十分必要的，也是飞机设计过程中的重要环节，并且在初步设计阶段就应该被考虑。现有的几种静气动弹性飞行载荷分析方法都存在各自的局限性：基于低阶面元法的飞行载荷分析方法气动力数据不够精确，基于高阶面元法与模态法的飞行载荷分析方法存在模态的截断误差问题，而引入外部试验气动力或CFD气动力的飞行载荷方法，需要对提前准备的庞大的刚性气动力数据库做弹性化处理，造成工作量很大，只适合应用在详细设计阶段。
针对以上问题，本文发展了一种基于高阶气动力与结构耦合的飞行载荷分析方法。这种方法利用高阶面元法，对于任意构型的飞行器，可以计算得到更加精确的三维气动力，精度明显高于低阶面元法；得到的气动力直接与结构进行耦合迭代，不存在模态法那样的截断误差；气动网格模型远没有CFD计算那样复杂，大大减小了气动力建模的工作量，计算时间明显缩短，可高效地进行气动力计算，且通过插值就能使气动网格得到不断地更新，实现与结构的迭代计算，获取弹性变形收敛之后的气动力数据。因此，基于高阶气动力与结构耦合的飞行载荷分析方法是一种高效地、计算精确地、分析结果更加可靠的方法。
本论文主要包括以下内容：
（1）建立了一种基于三维气动力的静气动弹性分析研究方法，利用编程语言构建基于高阶气动力与结构耦合的全机静气动弹性配平分析框架。针对算例飞机的机翼，利用基于低阶面元法的分析方法、基于高阶面元法与模态法的分析方法以及所建立的静气动弹性分析方法，进行飞行载荷对比分析，给出三种方法下机翼剖面的剪力、弯矩和扭矩曲线图。分析结果表明：基于高阶气动力的两种方法计算得到的载荷曲线较为相近。
（2）研究基于高阶面元法的定常气动力线性分析方法。在概念设计阶段和初步设计阶段的静气动弹性响应分析中一般使用线性气动力，高阶面元法在飞机设计初期可以提供较为精确的线性气动力预测飞机气动弹性特性，能够模拟复杂外形飞机气动力，且对于压力梯度变化较大的机翼前后缘，分析结果较为接近实际情况。论文主要针对飞机的初步设计阶段，基于高阶面元法进行飞机的定常气动力的求解。
（3）设计了基于高阶气动力与结构耦合的载荷与位移传递方法。本文基于高阶面元法所计算出的刚体气动力，与结构进行耦合迭代，并最终实现对飞机弹性状态下气动力的计算。高阶面元法与结构耦合的关键内容即为解决复杂的气动与结构之间的载荷与位移传递方式问题。本文采用形函数面积坐标加权方法对全机进行气动载荷的传递，用曲面样条函数插值法实现全机变形的位移传递。针对算例飞机的机翼进行气动载荷和位移插值，分别对比插值前后的情况可以看出，本文所采用的形函数坐标加权法和曲面样条函数插值方法能够满足精度要求。
（4）开展给定工况下全机静气动弹性配平计算。分别采用本文所建立的静气动弹性分析方法和基于低阶面元法的分析方法对一架亚音速飞机进行静气动弹性飞行载荷分析，建立了结构模型、平板气动力模型和三维气动力模型，针对三种典型载荷工况，给出了两种方法下的飞行载荷曲线图和弹性配平结果，通过对结果的对比分析可知，本文所建立的方法具有更好的工程适用性。