曲壁板在超音速气流中的分岔特性

采用Galerkin方法建立了超音速气流中二维曲壁板的非线性热气动弹性运动方程。用von Karman大变形理论来考虑曲壁板的大变形。用准定常的一阶活塞理论模拟曲壁板上表面受到的气动力。在不同来流速压和温升条件下,基于分岔理论研究了具有不同初始几何曲率的曲壁板系统对应的定常状态方程（组）的解的个数、性态和动态稳定性,并对方程（组）进行了解曲线的跟踪分析。研究表明,不同条件下,方程组的解特性不同,并且随着初始几何曲率和温升条件的变化,系统的失稳机理发生变化。超音速气流中的二维曲壁板系统存在动态Hopf分岔和静态鞍－结点分岔两种失稳现象,但不会发生热屈曲失稳。      

Bifurcation of the Curved Panel in Supersonic Air Flow

采用Galerkin方法建立了超音速气流中二维曲壁板的非线性热气动弹性运动方程。用von Karman大变形理论来考虑曲壁板的大变形。用准定常的一阶活塞理论模拟曲壁板上表面受到的气动力。在不同来流速压和温升条件下,基于分岔理论研究了具有不同初始几何曲率的曲壁板系统对应的定常状态方程（组）的解的个数、性态和动态稳定性,并对方程（组）进行了解曲线的跟踪分析。研究表明,不同条件下,方程组的解特性不同,并且随着初始几何曲率和温升条件的变化,系统的失稳机理发生变化。超音速气流中的二维曲壁板系统存在动态Hopf分岔和静态鞍－结点分岔两种失稳现象,但不会发生热屈曲失稳。     

考虑几何非线性的复合材料机翼气动弹性分析

本文研究结构几何非线性与气动力非平面效应对大展弦比复合材料机翼的气动弹性行为的影响．将非线性有限元法与曲面涡格法结合，计算机翼静气动弹性变形；通过曲面偶极子格网法结合静气动弹性平衡位置处的结构切线刚度，建立气动弹性方程并求解得到机翼颤振速度．针对板模型机翼，分析了迎角对机翼几何非线性气动弹性特性的影响．结果表明：本文复合材料板模型机翼的颤振形式不受水平弯曲模态影响，属于经典弯扭颤振；在几何非线性的影响下，机翼扭转频率随结构变形增大而明显减小，颤振速度随迎角增大而减小．     

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.     

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.      

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.     

基于POD和代理模型的静气动弹性分析方法

静气动弹性问题考虑弹性结构与定常气动力间的相互耦合作用,对飞行器的性能和安全具有显著的影响.在现代飞行器设计阶段,计算流体力学(CFD)/计算结构力学(CSD)直接耦合方法是精确考察静气动弹性影响的重要手段.然而,基于CFD技术的气动力仿真手段在耦合过程中计算量大且耗时长,难以满足设计阶段的需求.因此,为了兼顾计算精度与效率,文章采用本征正交分解(POD)和Kriging代理模型相结合的模型降阶方法,替代CFD求解过程并耦合有限元分析(FEA)方法,建立了高效、准确的静气动弹性分析框架.相较于传统的以模态法为主的静气动弹性分析方法,该方法能够解决更为复杂的静气动弹性问题以及提供静气动弹性变形过程中的气动分布载荷.针对典型三维跨声速HIRENASD机翼模型开展的马赫数、迎角变化的算例验证表明:由建立的静气动弹性分析方法与CFD/CSD直接耦合方法计算得到机翼翼梢处的静变形量间的相对误差在5%以内;同时该方法预测静平衡位置处的气动分布载荷的误差在5%以内,静气动弹性分析的计算效率至少提升了6倍.     

超音速气流中受热壁板的稳定性分析

采用Galerkin方法建立二维壁板的非线性气动弹性运动方程，用一阶活塞理论模拟壁板 受到的气动力. 基于李雅普诺夫间接法分析了平壁板的稳定性，得到了壁板失稳的边界 曲线；采用牛顿迭代法分析了壁板的屈曲变形，进而分析了后屈曲状态下壁板的稳定性； 在时域中分析了后屈曲状态下壁板的颤振边界. 分析结果表明，为了保证计算精度， 在二维壁板的静态失稳及过屈曲变形分析中，至少要取二阶谐波模态；在平壁板的超音速颤 振(动态失稳)边界分析中至少应取四阶模态. 还对壁板的温升，壁板长厚比、壁板密 度和气流马赫数作了无量纲变参分析，研究了这些参数的变化对壁板稳定性的影响规律. 研 究中发现，当气流速压较低时壁板一般会稳定在低阶谐波模态的屈曲变形位置，但是如果系 统出现多个渐近稳定的不动点，即使作用在壁板上的气流速压很低，壁板也有可能在较低速 压下发生二次失稳型颤振.     

壁板颤振的分析模型、数值求解方法和研究进展

研究壁板颤振问题需要计及大挠度变形下结构的几何非线性效应,不仅涉及气动弹性稳定性,而且关心结构的非线性颤振响应.该文回顾了飞行器壁板颤振问题的国内外研究情况,评述了在壁板颤振研究中采用的分析模型、数值求解方法以及在理论分析和试验方面的研究成果,并提出了今后壁板颤振问题的4个研究方向.      

静气动弹性计算方法研究

对基于结构网格的Euler方程及N-S方程求解器和基于非结构网格的Euler方程求解器,采用结构模态分析方法和柔度矩阵方法,对无人机大展弦比机翼在Ma=0.6,α=2?, 飞行高度20km的巡航状态下的静气动弹性特性进行了数值模拟. 验证了两种求解器对静气动弹性模拟的准确性. 同时,对模态分析方法和柔度矩阵方法进行了对比研究,发现柔度矩阵方法更适用于静气动弹性数值模拟. 另外,对应用物面法向偏转方法替代网格变形技术模拟静气动弹性进行了研究,计算表明物面法向偏转方法可以大大提高静气动弹性计算效率和克服机翼结构变形过大时动网格技术无法处理的不足.      

Influence of boundary conditions relaxation on panel flutter with compressive in-plane loads

The influence of boundary conditions relaxation on two-dimensional panel flutter is studied in the presence of in-plane loading. The boundary value problem of the panel involves time-dependent boundary conditions that are converted into autonomous form using a special coordinate transformation. Galerkin's method is used to discretize the panel partial differential equation of motion into six nonlinear ordinary differential equations. The influence of boundary conditions relaxation on the panel modal frequencies and LCO amplitudes in the time and frequency domains is examined using the windowed short time Fourier transform and wavelet transform. The relaxation and system nonlinearity are found to have opposite effects on the time evolution of the panel frequency. Depending on the system damping and dynamic pressure, the panel frequency can increase or decrease with time as the boundary conditions approach the state of simple supports. Bifurcation diagrams are generated by taking the relaxation parameter, dynamic pressure, and in-plane load as control parameters. The corresponding largest Lyapunov exponent is also determined. They reveal complex dynamic characteristics of the panel, including regions of periodic, quasi-periodic, and chaotic motions.     

Chaotic Analysis of Nonlinear Viscoelastic Panel Flutter in Supersonic Flow

In this paper chaotic behavior of nonlinear viscoelastic panels in asupersonic flow is investigated. The governing equations, based on vonKàarmàn's large deflection theory of isotropic flat plates, areconsidered with viscoelastic structural damping of Kelvin's modelincluded. Quasi-steady aerodynamic panel loadings are determined usingpiston theory. The effect of constant axial loading in the panel middlesurface and static pressure differential have also been included in thegoverning equation. The panel nonlinear partial differential equation istransformed into a set of nonlinear ordinary differential equationsthrough a Galerkin approach. The resulting system of equations is solvedthrough the fourth and fifth-order Runge–Kutta–Fehlberg (RKF-45)integration method. Static (divergence) and Hopf (flutter) bifurcationboundaries are presented for various levels of viscoelastic structuraldamping. Despite the deterministic nature of the system of equations,the dynamic panel response can become random-like. Chaotic analysis isperformed using several conventional criteria. Results are indicative ofthe important influence of structural damping on the domain of chaoticregion.     

On the aeroelastic stability and bifurcation structure of subsonic nonlinear thin panels subjected to external excitation

Dynamic behavior of panels exposed to subsonic flow subjected to external excitation is investigated in this paper. The von Karman’s large deflection equations of motion for a flexible panel and Kelvin’s model of structural damping is considered to derive the governing equation. The panel under study is two-dimensional and simply supported. A Galerkin-type solution is introduced to derive the unsteady aerodynamic pressure from the linearized potential equation of uniform incompressible flow. The governing partial differential equation is transformed to a series of ordinary differential equations by using Galerkin method. The aeroelastic stability of the linear panel system is presented in a qualitative analysis and numerical study. The fourth-order Runge-Kutta numerical algorithm is used to conduct the numerical simulations to investigate the bifurcation structure of the nonlinear panel system and the distributions of chaotic regions are shown in the different parameter spaces. The results shows that the panel loses its stability by divergence not flutter in subsonic flow; the number of the fixed points and their stabilities change after the dynamic pressure exceeds the critical value; the chaotic regions and periodic regions appear alternately in parameter spaces; the single period motion trajectories change rhythmically in different periodic regions; the route from periodic motion to chaos is via doubling-period bifurcation.     

热过屈曲功能梯度壁板的气动弹性颤振

功能梯度材料的宏观物理性能随空间位置连续变化,能充分减少不同组份材料结合部位界面性能的不匹配因素.功能梯度壁板用作高速飞行器的热防护结构,能有效消除气动加热带来的壁板内部热应力集中.本文考虑热过屈曲变形引入的结构几何非线性,分析功能梯度壁板的气动弹性颤振边界.基于幂函数材料分布假设,采用混合定律计算功能梯度材料的等效力学性能.根据一阶剪切变形板理论、冯·卡门应变-位移关系和一阶活塞理论,基于虚功原理建立超声速气流中受热功能梯度壁板的非线性气动弹性有限元方程.采用牛顿-拉弗森迭代法数值求解壁板的热屈曲变形,分析超声速气流对热屈曲变形的影响机理.在壁板热过屈曲的静力平衡位置分析动态稳定性,确定了壁板的颤振边界.研究表明,当陶瓷-金属功能梯度壁板的组份材料沿厚度方向梯度分布时,会破坏结构的对称性导致壁板在面内热应力作用下发生指向金属侧的热屈曲变形.超声速气流中壁板热屈曲变形最大的位置随气流速压增大向下游推移,并伴随屈曲变形量的减小.热过屈曲壁板的几何非线性效应会提高壁板的颤振边界,这种影响在高温、低无量纲速压且壁板发生大挠度热屈曲变形时表现显著.较高无量纲气流速压下由于壁板的热屈曲变形被气动力限定在小挠度范围,几何非线性效应不明显.      

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。     

CHAOTIC MOTIONS AND LIMIT CYCLE FLUTTER OF TWO-DIMENSIONAL WING IN SUPERSONIC FLOW

Based on the piston theory of supersonic flow and the energy method, the flutter motion equations of a two-dimensional wing with cubic stiffness in the pitching direction are established. The aeroelastic system contains both structural and aerodynamic nonlinearities. Hopf bifurcation theory is used to analyze the flutter speed of the system. The effects of system parameters on the flutter speed are studied. The 4th order Runge-Kutta method is used to calculate the stable limit cycle responses and chaotic motions of the aeroelastic system. Results show that the number and the stability of equilibrium points of the system vary with the increase of flow speed. Besides the simple limit cycle response of period 1, there are also period-doubling responses and chaotic motions in the flutter system. The route leading to chaos in the aeroelastic model used here is the period-doubling bifurcation. The chaotic motions in the system occur only when the flow speed is higher than the linear divergent speed and the initial condition is very small. Moreover, the flow speed regions in which the system behaves chaos axe very narrow.