模型模拟可变襟翼刚度以获得最佳升力

关于固定位置襟翼如何影响流固相互作用领域的升力，有广泛的研究。然而，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员将对话引向了一个新的方向，他们进行了一项受生物启发的研究，该研究采用了一种新颖的方式——可变刚度——以了解更多关于它如何影响升力的信息。

研究人员想知道他们是否可以在机翼或机翼上模拟一个襟翼，随着时间的推移具有不同的刚度，就像鸟可以拉紧或僵硬连接到隐蔽羽毛的肌肉组织和肌腱一样。

UIUC 航空航天工程系教授Andres Goza说：“我们从之前的研究中知道，具有一定刚度的襟翼可以帮助增加失速状态下的升力。” “所以，这引出了一个问题：如果你可以调整刚度会怎么样?会有多少好处?”

研究结果显示出很大的好处。“我们的可变刚度襟翼比没有襟翼好 136%，比我们之前进行的一项研究中最好的单刚度襟翼好 85%。”

Goza 和他的学生 Nirmal Nair 在襟翼上模拟了一个可变刚度执行器，襟翼通过扭力弹簧铰接在机翼上，以创建一个混合控制器，可以随时间改变刚度。襟翼本身不能以任何方式翻转或弯曲。刚度是指扭力弹簧保持在襟翼上的紧密程度。

“在模拟中，我们训练了一个控制器，该控制器确定了从非常僵硬到非常松散的频谱上的特定值。控制器是使用强化学习构建的，并经过训练可以选择刚度来提高机翼的升力，”Goza 说。

“使用可变刚度执行器，我们获得了弹簧刚度值的变化。弹簧是一个简化模型。在实践中，此功能可以使用可变刚度执行器来实现，尽管这是一个重要的步骤，需要进行新的研究工作，超出我们所研究的范围。我们将可调刚度范例的结果与最佳可能的单一刚度情况进行了比较，这是通过为几个不同的模拟构建一个性能图而获得的，每个模拟都对应一个单一的刚度值。”

Goza 表示，由于刚度变化超过四个数量级，因此大振幅襟翼振荡实现了升力改进。

“对于前九个时间单位，控制器尝试了不同的刚度并了解发生了什么，”Goza 说。“然后我们在模拟的其余部分将其松散：在给定的时间实例中，它决定改变刚度并根据流量正在做的事情随着时间的推移积极适应以获得提升。”

Goza 说制定这样的控制策略很复杂。

“随着刚度的变化，襟翼会移动。然后襟翼运动会改变它周围的气流，因此会发生复杂的耦合，”Goza 说。“现在襟翼会对其周围流场的变化做出不同的反应，随着流场的变化，襟翼的响应将再次发生变化。模拟这种双向耦合是复杂性的来源。

“我们工作的优势在于我们对所有这些都进行了建模。我们充分考虑了结构运动和响应之间的双向耦合。这是开发精确控制器的关键。我们需要能够说，当我改变刚度时，这就是将发生的相互作用，并利用它来提供更好的升力。”

Goza 说，当人们想到控制时，最常说的是反馈。我们收到有关系统的信息，然后使用该信息做出决定。有后果，你会不断地自动纠正。

“这种混合控制器调整刚度，但我们称它为混合控制器，因为我们不直接控制襟翼运动。我们只是说襟翼具有特定的刚度，我将启动它并改变刚度。接下来发生的一切都基于刚度的物理特性。皮瓣会感觉到流动中发生的事情并开始自行展开。它将开始引发这些其他动态。”

Goza 表示，这项研究最自然的应用是配备车载计算机的无人驾驶车辆。

“对于这些较小的飞机，阵风会产生更大的影响，”戈扎说。“它们需要更具机动性，例如在自然灾害中，可能需要到达人类无法轻易到达的地方。”

他补充说，计算具有实用性，“因为你可以让控制器在 4 个数量级内改变刚度，无论结果数字是多少，都只会在模拟中使用。您不受身体限制的约束。这让我们可以探索我们原本不知道的参数空间，并将其用作跳板来激励聪明的实验者实现这些参数范围。

“在研究的这一点上，不存在进行所需刚度变化的结构设计。因此，通过这种方式，计算可以激发材料科学家开发可以做到这一点的新材料/结构设计范式，”Goza 说。