动摩擦作用下非光滑振动系统的黏滑颤振分析

研究了一类含Dankowicz动摩擦的非光滑振动系统的动力学行为。建立了含Dankowicz动摩擦和弹性接触的非光滑振动系统的力学模型,分析了系统的运动过程。利用数值仿真方法探讨了系统运动在滑移-黏滞-碰撞接触-颤振之间转换的动力学行为。结果表明,在一定系统参数下,系统存在多种黏滑和颤振之间转换的运动形式,如周期滑移-黏滞-碰撞、周期滑移-黏滞-颤振-碰撞等。     

采用压电材料提高超声速飞行器壁板结构的颤振特性

采用压电材料对结构进行振动主动控制已经进行了广泛研究,论文进一步采用压电材料改进超声速壁板结构的气动弹性颤振特性,研究中考虑压电材料力电耦合效应的影响.采用Hamilton原理和Rayleigh-Ritz方法建立壁板及压电材料整体结构的运动方程,采用超声速活塞理论模拟气动力,利用加速度反馈控制策略对压电材料施加外电压,获得结构的主动质量.求解运动方程的特征值问题获得固有频率,进而确定气动弹性颤振边界,分析了反馈控制增益对超声速飞行器壁板结构主动颤振特性的影响,研究表明,采用压电材料可以提高超声速壁板结构的气动弹性颤振特性.     

叶轮机械叶片颤振研究的进展与评述

颤振一类气动弹性稳定性问题是叶轮机械设计者关心的主要问题之一. 本文对叶轮机械叶片颤振模型研究的进展进行了回顾, 包括非定常气动模型、结构模型以及颤振的预测方法等内容. 通过对颤振模型研究的介绍, 讨论了不同方法处理颤振这类气动弹性稳定性问题的优缺点. 提出了关于颤振研究目前的不足和部分难点, 认为流固耦合模型的研究值得进一步重点关注.      

两自由度舵-轴系统振动三维效应修正模型

考虑到小展弦比舵所存在的三维效应,利用附加质量系数ε和环量系数δ对经典Theodorsen两自由度运动方程进行修正,并与经典颤振实验结果进行比较,验证了修正后两自由度运动方程的适用性.质量比μ的不同会引起两自由度舵-轴系统振动V-g曲线形态的差异,故根据V-g曲线形状的不同将系统的振动分为第一类振动和第二类振动,其对应情况下可能发生的颤振为第一类颤振和第二类颤振.利用修正后的两自由度颤振理论模型分析了支撑刚度k_h、扭转刚度k_α、舵弦向重心位置x_α和初始攻角AOA对舵-轴系统颤振特性的影响规律,并通过开展相关实验对理论计算值进行验证,实验结果与计算值吻合良好.计算结果表明,k_h,k_α,x_α和AOA对颤振速度V_F存在显著影响,它们可以分别在一定的取值范围内导致系统发生第二类颤振.并且,V_F随k_h的增大单调增大,随k_α和x_α的增大先增大再减小,随AOA的增大则逐渐减小.其中,令V_F存在非零值的x_α取值范围狭小,反映了系统振动形态对x_α的敏感性.因此,在设计阶段避免将x_α设置在这个狭小的范围内可以降低颤振的发生几率.另一方面,由于V_F对k_h和k_α的反应缓慢,一旦颤振发生就可以通过将刚性轴锁紧来消除颤振效应.     

基于流场定常化的桥梁颤振分析简化数值方法

基于数值方法实现快速有效地分析评价大跨桥梁颤振稳定性.针对强迫振动法识别颤振导数试验中的大跨桥梁二维节段模型.利用RNG κ-ε湍流模型并采用有限体积法求解桥梁模型绕流二维不可压缩流体Navier-Stokes方程.通过计算桥梁断面模型在周期运动中少数离散时刻的气动力,利用最小二乘法计算颤振导数,采用SCANLAN方法求解颤振临界风速,最终进行颤振稳定性分析.通过该方法计算出了丹麦Great Belt East桥和我国虎门大桥的颠振临界风速.计算结果与已有试验结果十分接近,进而验证了该数值方法的有效性和可靠性.     

主动约束层阻尼对超声速梁结构颤振特性的影响

本文采用主动约束层阻尼技术研究超声速梁的颤振特性,利用Hamilton原理和假设模态方法建立结构的运动方程,采用活塞理论模拟超声速梁的气动压力,采用速度负反馈控制获得主动阻尼,求解本征值问题得到复特征值,进而得到结构的固有频率和损耗因子.计算结构的固有频率随无量纲气动压力的变化曲线,得到颤振点,分析了主动阻尼和被动阻尼对颤振速度的影响.计算结果表明主动阻尼可以影响梁的气动弹性特性,并增大超声速梁的颤振速度.本文研究结果对超声速飞行器结构的颤振分析和气动设计具有重要意义.     

超声速飞行器壁板非线性颤振响应分析的时域法与频域法对比研究

为考查基于假设模态法在时域中开展壁板非线性颤振分析的可行性,在相同的参数下,分别采用时域方法和频域方法研究了超声速飞行器壁板的非线性颤振响应,并从壁板的颤振幅值、颤振频率和颤振型态三个方面对时域和频域分析结果的一致性作了较详细的比较。首先,基于von Karman应变－位移关系和Mindlin板理论建立考虑几何非线性的壁板力学模型,应用一阶活塞理论分析壁板上单面承受的超声速准定常气动力,基于虚功原理和有限单元法推导壁板的运动微分方程。然后,用壁板的线性固有模态作为假设模态,减缩系统的自由度而得到降阶模型。采用四阶龙格-库塔法对降阶模型作时域数值积分,得到壁板的非线性颤振响应。另一方面,假设壁板的极限环颤振为简谐振荡,可对壁板的非线性刚度作等效线性化处理,进而在频域中直接在有限元（未降阶）模型的基础上分析壁板的颤振幅值、颤振频率和颤振型态。数值分析表明,当极限环颤振为简谐振荡时,时域方法和频域方法的计算结果符合一致。本文最后讨论了时域法和频域法应用在壁板非线性颤振分析中各自的优点和局限性。     

配重位置对全动舵面颤振抑制效果研究

为了研究配重位置对舵面颤振特性的影响,用有限元方法分析了舵面模态,用当地流活塞理论计算非定常气动力,应用Lagrange方程,建立基于模态坐标的颤振运动方程。研究表明:不同位置配重导致不同的颤振边界,放置于前缘与尖弦交点对提高临界动压效果最为明显;在工程设计中,不能简单的以质心前移或者增大扭转-弯曲频率比来指导全动舵面的颤振抑制设计,在前缘与根弦交点附近处加配重使得质心前移,甚至会使临界动压下降;配重通过削弱振型的耦合程度来抑制颤振,配重位置应尽量取在前缘与尖弦交点附近,使得弯、扭振型耦合程度削弱。     

复合材料机翼/外挂系统颤振特性分析

综合考虑复合材料机翼的材料耦合和几何耦合的特点,利用Hamilton原理建立了非定常气动力作用下复合材料机翼/外挂系统的气动弹性运动方程。采用微分求积法进行离散,运用MATLAB语言编程对系统响应进行数值仿真。计算结果表明:用微分求积法计算复合材料机翼的颤振特性是可行的;随材料耦合刚度的增加,机翼的颤振临界速度出现了双峰值;而对于复合材料机翼/外挂系统,颤振临界速度随材料耦合刚度的变化规律较为复杂,与外挂参数的设置相关。     

激波主导流动下壁板的热气动弹性稳定性理论分析

针对激波主导流动下弹性壁板的热气动弹性稳定性分析问题,建立了基于当地活塞流理论的分析模型,并用数值仿真方法来验证其正确性. 首先基于Hamilton原理和Von-Karman大变形理论,建立壁板的热气动弹性运动方程,其中假设壁板受热后温度均匀分布,激波前后区域的气动力模型采用当地一阶活塞流理论;利用Galerkin方法将具有连续参数系统的偏微分颤振方程离散为有限个自由度的常微分方程;基于李雅普诺夫间接法将非线性颤振方程组在平衡位置处进行线化,再用Routh-Hurwits判据来判断线性系统的稳定性,从而来推论出非线性颤振系统的气动弹性稳定性. 在时域中采用龙格--库塔法对非线性颤振方程进行数值积分,得到壁板非线性颤振响应的时间历程,与理论分析结果进行对比. 研究结果表明,壁板受到斜激波冲击时,更容易发生颤振失稳,并且激波强度越大,极限环幅值和频率越大;激波主导流场中的壁板失稳边界不同于传统单纯超声速气流中壁板颤振的失稳边界;只有在斜激波前后不同的动压值都满足颤振稳定性边界的条件下,壁板才可能保持其气动弹性稳定性.      

大跨度斜拉桥的动力特性及其颤振临界风速的计算

基于有限单元法理论,确定了斜拉桥合乎其构造特点的窨计算模型,建立了斜拉桥的自由振动的三维运动方程,对斜拉桥的动力特性进行了求解和分析,在此基础上,建立了在气动荷载作用下斜拉桥的三维运动方程,提出了用于分析斜拉桥颤振临界状态的子空间复特征值方法,推导出计算颤动临界风速的理论公式,并编写了用于计算斜拉桥颤振频率的多振型参与双参数自动搜索的计算机程序。     

超音速气流中受热曲壁板的非线性颤振特性

基于von Karman 大变形理论及带有曲率修正的一阶活塞理论, 用Galerkin方法建立了超音速气流中受热二维曲壁板的非线性气动弹性运动方程; 采用牛顿迭代法计算得到由静气动载荷和热载荷引起的静气动弹性变形; 根据李雅谱诺夫间接法分析了壁板初始曲率与温升对颤振边界的影响; 对二维曲壁板的非线性气动弹性方程组进行数值积分求解,分析了动压参数对受热二维曲壁板分岔特性的影响, 给出了典型状态下曲壁板非线性颤振响应的时程图与相图. 分析结果表明对小初始曲率的曲壁板, 温升对其静气动弹性变形影响较大, 且随着温升的增加其颤振临界动压急剧减小; 对具有较大初始曲率的曲壁板, 温升对其静气动弹性变形的影响较弱, 且随着温升的增加颤振临界动压基本保持不变. 初始几何曲率与气动热效应使得曲壁板具有复杂的动力学特性, 不再像平壁板一样, 经过倍周期分岔进入混沌, 而会出现由静变形状态直接进入混沌运动的现象, 且在混沌运动区域中还会出现静态稳定点或谐波运动, 在大曲率情况下, 曲壁板不会产生混沌运动, 而是幅值在一定范围内的极限带振荡.      

激波主导流动下壁板的热气动弹性稳定性理论分析

针对激波主导流动下弹性壁板的热气动弹性稳定性分析问题,建立了基于当地活塞流理论的分析模型,并用数值仿真方法来验证其正确性.首先基于Hamilton原理和Von-Karman大变形理论,建立壁板的热气动弹性运动方程,其中假设壁板受热后温度均匀分布,激波前后区域的气动力模型采用当地一阶活塞流理论;利用Galerkin方法将具有连续参数系统的偏微分颤振方程离散为有限个自由度的常微分方程;基于李雅普诺夫间接法将非线性颤振方程组在平衡位置处进行线化,再用Routh-Hurwits判据来判断线性系统的稳定性,从而来推论出非线性颤振系统的气动弹性稳定性.在时域中采用龙格-库塔法对非线性颤振方程进行数值积分,得到壁板非线性颤振响应的时间历程,与理论分析结果进行对比.研究结果表明,壁板受到斜激波冲击时,更容易发生颤振失稳,并且激波强度越大,极限环幅值和频率越大;激波主导流场中的壁板失稳边界不同于传统单纯超声速气流中壁板颤振的失稳边界;只有在斜激波前后不同的动压值都满足颤振稳定性边界的条件下,壁板才可能保持其气动弹性稳定性.     

翼型颤振压电俘能器的输出特性研究

压电俘能器能够为自然界中低功率的微机电系统持续供能. 为了模拟机翼的沉浮?俯仰二自由度运动和有效俘获气动弹性振动能量, 本文提出一种新颖的翼型颤振压电俘能器. 基于非定常气动力模型, 推导翼型颤振压电俘能器流?固?电耦合场的数学模型. 建立有限元模型, 模拟机翼的沉浮?俯仰二自由度运动, 获得机翼附近的涡旋脱落和流场特性. 搭建风洞实验系统, 制作压电俘能器样机. 利用实验验证理论和仿真模型的正确性, 仿真分析压电俘能器结构参数对其气动弹性振动响应和俘获性能的影响. 结果表明: 理论分析、仿真模拟和实验研究获得的输出电压具有较好的一致性, 验证建立数学和仿真模型的正确性. 仿真分析获得机翼附近的压力场变化云图, 表明交替的压力差驱动机翼发生二自由度沉浮?俯仰运动. 当风速超过颤振起始速度时, 压电俘能器发生颤振, 并表现为极限环振荡. 当偏心距为0.3和风速为16 m/s时, 可获得最大输出电压为17.88 V和输出功率为1.278 mW. 功率密度为7.99 mW/cm3, 相比较于其他压电俘能器, 能实现优越的俘获性能. 研究结果对设计更高效的翼型颤振压电俘能器提供重要的指导意义.      

两种湍流模型时域颤振计算方法研究

采用时域计算分析方法进行了机翼跨音速颤振特性研究。在结构运动网格的基础上,采用格点格式有限体积方法进行空间离散和双时间全隐式方法进行时间推进求解雷诺平均N-S方程。针对流动粘性分别应用了SST湍流模型和SSG雷诺应力模型,通过对跨音速标模算例AGARD445.6机翼的计算结果与实验值的对比分析,其中应用SST湍流模型得到的颤振速度与实验值最为接近,特别是在跨音速段平均相对误差在3%以内;并且计算结果整体上反映了跨音速颤振"凹坑"物理特性,验证了方法的有效性。     

热环境下壁板非线性颤振分析

基于一阶活塞气动力理论,采用Von Karman大变形应变-位移关系建立了无限展长壁板热环境下颤振方程,采用伽辽金方法对方程进行离散处理.取温度为分叉参数,研究壁板颤振时的分叉及混沌等复杂动力学特性.结果表明:温度载荷降低了系统的颤振临界动压,改变了颤振特性.在整个分岔参数范围内,系统呈现出较为复杂的变化,包括衰减振动、极限环振动、拟周期振动和混沌型振动.当考虑材料热效应时,系统的颤振动压将进一步降低,其响应也表现出更为丰富的非线性动态力学行为.     

超声速流中有限长柱壳蒙皮颤振的精确线性理论

本文讨论了有限长柱壳超声速颤振的线性问题的数学基础,包括问题的提法以及气动力和颤振振型的精确求法;所采用的方法是作者在前文[11]中提出的方法的推广. 考虑到壳面气动力的非定域性以及壳体的精确力短理论,根据严格的线性理论,将柱壳蒙皮颤振问题化成了讨论一个新型的八阶非自共轭微分积分方程以及相应的八个边界条件所构成的复固有值问题:     

我国大跨度缆索承重桥梁的空气动力性能研究

本文介绍了我国大跨度桥梁空气动力性能方面的研究情况。以同济大学土木工程防灾国家重点实验室所从事的桥梁空气动力性能的理论和试验研究工作中的几个主要方面为重点,介绍最新进展,其中包括非线性颤振的频域分析,颤振分析的全模态技术,基于计算流体动力学的数值风洞等研究课题。     

浅谈飞行器与桥梁的颤振问题

颤振属于气动弹性动不稳定现象,常见于飞行器机翼和尾翼、桥梁等弹性结构,一旦发生,可能会引发结构的毁灭性破坏。本文首先介绍颤振的基本概念和特征,以及工程领域中常用的颤振研究方法,以展弦比为16的NACA0012弹性平直机翼为例介绍颤振速度和颤振频率;然后对结构发生颤振的原因进行讨论,并详细阐述基于流动降阶模型的稳定性分析方法在层流分离颤振诱发机理研究中的应用;最后对防止和规避颤振的控制措施进行介绍。     

大展弦比机翼非线性颤振特性研究

为了研究大展弦比机翼水平弯曲模态参与耦合时的颤振特性,首先用考虑几何非线性的颤振分析方法研究了某大展弦比机翼的颤振特性,建立了大展弦比机翼非线性颤振分析的简化模型,即盒段模型;然后通过组合不同的水平弯曲频率、扭转频率形成不同的接近模式,系统分析了不同接近模式对盒段模型非线性动力学特性的影响规律,提出了水平弯曲频率和扭转频率发生模态交换的存在条件。在此基础上通过对盒段模型进行非线性颤振分析发现:水平一弯模态参与耦合降低了机翼传统模式的线性颤振速度,增大水平一弯的频率有助于该类颤振速度的提高;在水平一弯频率和扭转频率逐步接近时,会导致机翼颤振速度显著下降,且颤振类型会由水平一弯和垂直弯曲耦合的颤振转化为水平一弯和扭转耦合的颤振。