Multifidelity Modeling of Deployable Wings: Multibody Dynamic Simulation and Wind Tunnel Experiment

多体系统 空气动力学 建模与仿真 风洞 航空航天工程 铰链 有限元法 计算机科学 空气动力 非线性系统 工程类 模拟 结构工程 物理 量子力学
作者
Keisuke Otsuka,Yinan Wang,Koji Fujita,Hiroki Nagai,Kanjuro Makihara
出处
期刊:AIAA Journal [American Institute of Aeronautics and Astronautics]
卷期号:57 (10): 4300-4311 被引量:30
标识
DOI:10.2514/1.j058676
摘要

Slender deployable wings have attracted interest for use in Mars, Titan, and high-altitude flights. Such wings are composed of multiple bodies connected by hinge joints and can be deployed or folded spanwise during flight. A deployment simulation model is required for their design. This paper proposes a multifidelity multibody modeling method that uses a new asymmetrically gradient-deficient absolute nodal coordinate beam element. The proposed method addresses the drawbacks of conventional elements, namely, numerical locking and the need for a large number of generalized coordinates, by exploiting a structural characteristic of a slender wing. It enables computationally efficient low-fidelity rigid multibody simulation and more realistic high-fidelity flexible multibody simulation, both accomplished using a consistent modeling process and the same simulation program architecture. Additionally, the low-fidelity and high-fidelity models can be coupled with an aerodynamic model using a consistent coupling methodology. To validate the proposed modeling method, wing deployment experiments were performed in a wind tunnel at the Institute of Fluid Science, Tohoku University. The simulation results obtained using the proposed modeling method were found to be in good agreement with those of the wind tunnel experiments, even when the wings experienced large geometrically nonlinear deformations.
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