振型节线角度对舵面颤振稳定性的影响

针对舵机支撑刚度支持下的舵面结构,建立了广义气动力与舵面前两阶局部刚化模态振型节线角度关系的表达式,分析广义气动力随振型节线角度的变化规律,根据Routh-Hurwitz稳定性判据研究振型节线角度对颤振临界动压的影响．研究结果表明：舵面前两阶局部刚化模态振型节线处于相对“横平竖直”的状态时,前两阶模态经由广义非定常气动载荷引起的耦合较弱,舵面的颤振临界动压较高．     

转捩位置对全动舵面热气动弹性的影响

高超声速附面层的转捩预测一直是流体力学研究中的难点,转捩前后物面的摩擦系数和传热系数会发生改变,转捩位置的不同会影响到飞行器表面热环境,进而使得飞行器的气动弹性特性发生显著变化.鉴于高超声速附面层转捩预测的不确定性,本文分析了转捩位置对高超声速全动舵面热气动弹性的影响.首先分别用层流模型和湍流模型求解N-S方程,得到气动热环境,并对气动热进行参数化;然后在不同转捩位置情况下构造出不同转捩位置的热分布模型,基于此种温度分布,结合热应力和材料属性的影响分析结构的热模态,将结构模态插值到气动网格上,采用基于CFD的当地流活塞理论进行气动弹性分析.以M=6,H=15 km的某舵面为对象进行计算,结果表明:(1)随着转捩位置向后缘移动,结构频率上升,结构颤振速度呈增大趋势,转捩位置的变化能够带来颤振临界速度最大6%的变化量;(2)当转捩位置位于舵轴附近时,结构的颤振特性变化剧烈.通过刚度特性的分解和分析发现,导致颤振特性变化的主要因素在于舵轴的刚度特性变化,舵轴的影响量占整个结构刚度特性变化量的80%以上.     

基于拓扑优化技术的导弹折叠舵结构颤振优化设计

在高超声速飞行的过程中,导弹舵面会出现颤振问题,可在短短几秒内导致结构破坏甚至解体. 为了改善舵面颤振特性,并让设计过程更加科学和高效,结合拓扑优化技术,开发了相应的优化程序应用于导弹折叠舵结构颤振抑制设计,获得比原始设计方案拥有更大颤振临界速度的折叠舵结构. 结果表明该方法具有如下优点：相比传统的配重等方法,从拓扑优化的新思路高效、准确地获得新构型;将拓扑优化的前沿技术创造性地应用到改善导弹折叠舵颤振特性的实际工程问题上,并在设计后进行强度校核;将颤振这种复杂的流固耦合问题从结构动力学问题逐步简化为静力学模型,进而用拓扑优化方法高效解决.     

外挂物对大展弦比直机翼颤振特性的影响

为提高带外挂物大展弦比直机翼的颤振速度,基于假设模态法提出一种带集中质量弯扭组合梁模态分析手段,结合片条理论考察外挂物不同质量及布置形式对机翼颤振特性的影响。首先,基于弯扭组合梁建立带外挂物大展弦比直机翼的结构动力学模型,并利用假设模态法得到其弯曲和扭转模态。其次,引入片条理论近似计算有限翼展升力面的气动力,调整外挂物的质量、数目及其在机翼展向和弦向的相对位置,得到外挂物对机翼颤振特性的影响规律。最后,利用在机翼前缘附近悬吊小质量外挂物可提高机翼颤振速度的优势,探究颤振速度恢复方法并提出颤振速度恢复的优化问题,使得携带外挂物的机翼与不携带外挂物的机翼颤振速度基本相同。研究结果表明,外挂物的不同悬挂方式可引起机翼颤振模态的跳转,在以俯仰为颤振主模态的机翼上可调整外挂物位置以恢复原机翼的颤振速度。     

高超声速全动舵面的热气动弹性研究

根据分层求解原理对考虑舵轴及舵轴与机身间隙影响下的高超声速飞行器全动舵面进行了热气动弹性分析. 采用计算流体力学（CFD）方法求解N-S 方程计算舵面周围的热环境,在该温度分布下根据结构壁面温度计算热流,应用傅里叶（Fourier）定律确定结构热传导过程及其内部温度分布,进而分析结构考虑热应力和温度对材料属性的影响下的模态固有特性,结合基于CFD 技术的当地流活塞理论,在状态空间中对舵面进行了热气动弹性分析. 结果表明,气动加热效应改变了结构的固有频率以及弯扭耦合频率之间的间距,进而改变了结构的颤振速度和颤振频率;随着热传导的进行,结构固有频率和颤振频率先快速减小后基本保持不变,弯扭耦合频率之间的间距和颤振速度则先快速减小后略有上升;舵轴及舵轴与机身间隙的存在对舵面的固有频率、颤振频率、颤振速度都产生了影响,使其最大下降了6%.      

STUDY ON AEROTHERMOELASTICITY OF A HYPERSONIC ALL-MOVABLE CONTROL SURFACE

根据分层求解原理对考虑舵轴及舵轴与机身间隙影响下的高超声速飞行器全动舵面进行了热气动弹性分析. 采用计算流体力学（CFD）方法求解N-S 方程计算舵面周围的热环境,在该温度分布下根据结构壁面温度计算热流,应用傅里叶（Fourier）定律确定结构热传导过程及其内部温度分布,进而分析结构考虑热应力和温度对材料属性的影响下的模态固有特性,结合基于CFD 技术的当地流活塞理论,在状态空间中对舵面进行了热气动弹性分析. 结果表明,气动加热效应改变了结构的固有频率以及弯扭耦合频率之间的间距,进而改变了结构的颤振速度和颤振频率;随着热传导的进行,结构固有频率和颤振频率先快速减小后基本保持不变,弯扭耦合频率之间的间距和颤振速度则先快速减小后略有上升;舵轴及舵轴与机身间隙的存在对舵面的固有频率、颤振频率、颤振速度都产生了影响,使其最大下降了6%.     

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。     

基于CFD/CSD耦合含间隙三维全动舵面气动弹性研究

发展了一种考虑间隙非线性的三维计算流体力学/计算结构力学(CFD/CSD)耦合气动弹性算法。结构分析采用虚拟质量法,即把含间隙的非线性系统划分为三个线性子系统,采用虚拟质量模态作为统一的坐标架去表示各线性子系统。结果表明,虚拟质量法计算的线性子系统模态和动力学响应均与有限元直接计算结果一致。结构运动方程积分采用自适应时间步长法,即当线性子系统发生切换时,通过时间步长的自适应使得切换点可以准确捕捉。切换点和自适应时间步长的搜索采用二分法,计算表明二分法能有效地捕捉切换点并保证了数值稳定性。在此基础上与非定常CFD技术结合,在跨音速条件下对三维全动舵面开展气动弹性响应研究。计算表明结构在低于和高于线性颤振速度下均会形成极限环振荡。由于间隙非线性的影响,跨音速极限环的临界速度比线性颤振的跨音速凹坑下降了20%。     

基于非线性耦合本构关系模型的尖化前缘气动加热影响研究

结合数值模拟与风洞试验技术,在高超声速连续/稀薄滑移流条件下对尖化前缘这一典型构型的气动加热影响开展深入研究.在三维有限体积框架下,应用非线性耦合本构关系(nonlinear coupled constitutive relations, NCCR)模型对试验工况下的尖化前缘外形开展数值计算,检验NCCR模型在尖化前缘构型中准确描述局部稀薄非平衡流动和物面气动热的性能.数值结果与实验数据对比表明,在等效高度33 km的风洞试验条件下, NCCR模型计算得到的驻点热流系数峰值同实验值偏差为1.81%, Fay-Riddell公式和纳维-斯托克斯(Navier-Stokes, NS)方程得到的驻点热流系数峰值同实验值偏差均在5%以内,物面其他位置的壁面热流系数计算值与实验值偏差均在10%以内,证明此时飞行器尖化前缘区域局部稀薄气体效应对气动加热影响程度较弱;在等效高度60 km时,飞行器尖化前缘区域附近的局部稀薄气体效应对气动加热的影响较为明显, NS方程计算的驻点热流系数偏差为33.31%, Fay-Riddell公式计算驻点热流系数同实验值偏差为29.5%, NCCR模型计算的驻点热流...     

机翼刚心位置对回转颤振稳定性边界的影响分析

基于哈密顿原理,建立了适合快速开展回转稳定性设计参数评估的倾转旋翼/短舱/机翼多体气弹耦合动力学分析模型,并通过参数影响分析,获得机翼刚心位置前移有利于提高倾转旋翼机回转颤振稳定性边界的重要结论。所建立的分析方法和获得的结论,对工程设计具有重要的指导意义,可以在机翼气动外形约束条件下,通过调整机翼内部结构特性,合理将机翼的刚心位置向机翼前缘移动,达到提高该构型飞行器回转颤振稳定性裕度的目的。     

高超声速舵面颤振的数值模拟影响因素研究

针对某高超声速舵面颤振风洞试验模型开展了数值模拟研究,采用多种气动力模型和耦合迭代策略,研究对颤振预测结果的影响。计算结果表明,采用三阶活塞理论、统一升力面理论、Euler方程和N-S方程的颤振动压预测结果较接近,与试验值误差均在7%以内。采用时域方法计算时,松耦合方法的误差较大,超过15%。同时还发现,支撑机构会带来激波边界层干扰效应,一定程度上提高了颤振动压,考虑该因素的预测结果与试验值更接近。     

结合CFD和当地流活塞理论的全机组合体超声速颤振分析

针对翼．身组合体飞行器面对称布局的特点,利用模态振型的对称和反对称性,以分枝模态法建立结构的运动微分方程,结合CFD的当地流活塞理论计算飞行器的非定常气动力,建立飞行器全机组合体的气动弹性数学模型。对飞行器进行了来流为1．5～7马赫数下的颤振分析,结果与全CFD／CSD耦合时域仿真结果较好吻合,验证了本文方法在工程设计中的有效性和可行性。本文方法的效率在相同精度下比CFD／CSD耦合的时域方法高100倍。     

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。     

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.      

基于聚合多重网格方法的跨音速颤振的数值模拟

采用流固耦合方法对跨音速颤振进行了数值模拟。流体方面在非结构网格上用有限体积方法求解了Euler方程;结构方面则求解了后掠机翼典型剖面的结构模态方程。时间推进采用双时间步长：对每一真实时间步,都通过基于聚合多重网格方法的伪时间步推进,对流体和结构方程交替迭代．得到一个稳态的流固耦合的解。文章最后给出了NACA64A010翼型剖面的跨音速颤振边界．与相关文献的计算结果符合良好。     

基于改进遗传算法主动柔性结构压电元件位置优化

基于改进的遗传算法提出了一种解决多压电片布置在柔性结构上以实现振动主动控制的有效方法.本文采用D优化设计准则,即把Fisher信息矩阵行列式最大值作为目标函数的一种优化方法.通过对结构模态振型和动力特性的研究,使用一种简单的方法将所选择的低阶模态振型转化为归一化形式,最后通过结构模态振型可确定压电片最优位置.为了达到更好的振动控制效果,压电片布置在结构模态应变最大位置处.当在结构不同位置上布置压电片时,结构各阶模态振型也将随之发生不同程度的变化.本文建立了ANSYS软件和遗传算法的接口来实现对结构的模态重分析,从而提取各阶模态振型.     

传递矩阵法分析约束悬臂裂纹管道失稳临界流速

研究了自由端受线性弹簧支承和扭转弹簧约束的悬臂输流管道在含有圆周非贯穿裂纹时的失稳临界流速;根据梁模型模态函数的一般表达式和裂纹处的关联式以及传递矩阵法推导出含裂纹梁的模态函数;根据特征方程具体分析了裂纹位置、裂纹深度、裂纹圆周角等参数对系统失稳临界流速的影响,并进行了数值仿真分析。结果表明:由于裂纹的存在,系统的失稳临界流速下降,动态失稳临界流速下降的速率和幅值均比静态失稳临界流速下的大;临界流速与裂纹位置、深度和裂纹圆周角等参数密切相关,特别是对颤振失稳临界流速的影响更明显,在裂纹位置、裂纹非贯穿圆周角、裂纹深度等参数影响下,管道的失稳形态将从屈曲失稳转变为颤振失稳。     

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.     

考虑温度效应的索梁面内动力学建模及特性分析

根据增量热场理论,温度变化影响下索梁结构会形成新的热应力平衡状态．因此基于已有的索梁结构非线性动力学模型,结合与斜拉索张拉力和垂度相关的无量纲参数,重新建立考虑温度变化影响下索梁结构面内振动的动力学模型,并推导其面内非线性运动方程．接着开展特征值分析,得到包含温度效应的索梁结构面内振动频率的超越方程及模态振型函数．通过算例研究温度变化对不同刚度比的索梁结构影响,得到其前四阶面内振动的模态频率与温度变化的关系曲线．研究结果表明：面内模态频率受温度变化影响明显,其影响程度与刚度比大小和模态的阶数密切相关,温度变化对低阶模态频率的影响比对高阶模态频率影响更为复杂;升温和降温对索梁结构面内振动特性的影响不对称;此外温度变化会导致频率偏转点的位置发生漂移．     

适用于几何非线性气动弹性分析的结构动力学降阶模型方法研究

几何非线性是壁板颤振和大展弦比机翼气动弹性等问题的一个主要特征,在进行数值仿真分析时往往需要采用商业非线性有限元求解器,存在计算量大和耦合迭代策略不易控制等问题。本文发展了一种适用于几何非线性的结构动力学降阶模型(CSD-ROM),利用广义坐标的非线性多项式表征非线性内力,采用参数识别方法获取多项式系数,并通过增加额外的线性模态来改善模型预测精度。基于此方法,分别针对壁板颤振、切尖三角翼的CFD/CSD-ROM非线性颤振问题开展了时域响应分析。计算结果表明,通过CSD-ROM计算出的壁板颤振速度为590 m/s,颤振频率为174 Hz,与有限元结果误差分别为0.8%和1.7%。马赫数0.879时切尖三角翼的颤振动压预测结果为2.25 psi,与非线性有限元相比的误差为3.8%。本文采用的非线性和线性模态基底组合方法,在保证计算精度的基础上可有效降低训练样本数量,一定程度上可替代非线性有限元开展气动弹性分析。