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相似文献
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1.
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。  相似文献   

2.
壁板颤振的分析模型、数值求解方法和研究进展   总被引:3,自引:0,他引:3  
杨智春  夏巍 《力学进展》2010,40(1):81-98
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.   相似文献   

3.
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%。  相似文献   

4.
提出了一种改进的常体积转换局部插值方法和判断两套网格之间宿主-受体关系的高效算法。结构计算采用带面内旋转自由度的四节点四边形平板壳单元模型,气动计算基于有限体积离散的任意拉格朗日-欧拉(ALE)格式N-S方程,并采用Delaunay图映射法来处理网格移动。根据分区耦合原理,建立一套基于计算流体力学(CFD)/计算结构力学(CSD)的气动弹性计算方法,并应用于AGARD445.6机翼颤振速度系数和颤振频率系数、切尖三角翼的翼尖颤振幅值和颤振频率的分析中。与已有文献相比,数值计算结果误差分别为7.85%和9.46%、7.28%和1.03%,相对较小,验证了该气动弹性分析方法和程序的可靠性和可行性。  相似文献   

5.
梁宇  黄争鸣 《力学季刊》2019,40(4):700-708
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.  相似文献   

6.
夏巍  冯浩成 《力学学报》2016,48(3):609-614
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.   相似文献   

7.
民用飞机在跨音速区的颤振特性是其设计的关键限制之一,与飞机的安全性息息相关.跨音速颤振的计算会遇到激波、流动分离等高度非线性的气动问题,因此在计算跨音速颤振问题时往往把注意力放在气动力的计算精度上.但是,如果模态分析的计算精度不够,同样无法获得可靠的颤振计算结果.本文采用HyperMesh软件进行有限元建模,主要结构件均保留了原始结构的几何信息,通过设置材料密度模拟结构的质量分布.由NASTRAN软件的Lanczos求解器完成模态分析并给出主要关注的四阶模态,经过简单的有限元模型修正,使四阶模态的计算频率与试验频率一致,计算和试验的固有振型一致,为后续的跨音速颤振分析打下基础.  相似文献   

8.
激波主导流动下壁板的热气动弹性稳定性理论分析   总被引:2,自引:0,他引:2  
叶柳青  叶正寅 《力学学报》2018,50(2):221-232
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.   相似文献   

9.
超音速气流中受热壁板的稳定性分析   总被引:3,自引:0,他引:3  
夏巍  杨智春 《力学学报》2007,39(5):602-609
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.  相似文献   

10.
张家铭  杨执钧  黄锐 《力学学报》2020,52(1):150-161
高维、非线性气动弹性系统的模型降阶是当前气动弹性力学与控制领域的研究热点之一.然而国内外现有的非线性模型降阶方法仍存在辨识算法复杂、精度有待提高等问题.本研究提出了一种基于非线性状态空间辨识的跨音速气动弹性模型降阶方法. 首先,该方法基于非定常空气动力的单位脉冲响应数据,采用特征系统实现算法对非线性状态空间模型的线性动力学部分进行系统辨识. 其次,引入状态和控制输入的非线性函数, 采用优化算法对非线性函数的系数矩阵进行优化,进而得到考虑非线性效应的空气动力降阶模型.为了验证该降阶模型在预测跨音速气动弹性力学行为的精确性,本文以三维机翼为研究对象,分别从基于非线性降阶模型的气动力辨识、跨声速颤振边界计算和极限环振荡预测三方面进行了算例验证,并与现有的模型降阶方法进行了对比, 进一步说明本文所提出方法的有效性.研究结果表明, 该降阶模型对上述三类问题的计算精度与直接流-固耦合方法相吻合,可用于高效预测飞行器跨声速气动弹性力学行为.   相似文献   

11.
The flutter and limit cycle oscillation (LCO) behavior of a cropped delta wing are investigated using a newly developed computational aeroelastic solver. This computational model includes a well-validated Euler finite difference solver coupled to a high-fidelity finite element structural solver. The nonlinear structural model includes geometric nonlinearities which are modelled using a co-rotational formulation. The LCOs of the cropped delta wing are computed and the results are compared to previous computations and to experiment. Over the range of dynamic pressures for which experimental results are reported, the LCO magnitudes computed using the current model are comparable to those from a previous computation which used a lower-order von Karman structural model. However, for larger dynamic pressures, the current computational model and the model which used the von Karman theory start to differ significantly, with the current model predicting larger deflections for a given dynamic pressure. This results in a LCO curve which is in better qualitative agreement with experiment. Flow features which were present in the previous computational model such as a leading edge vortex and a shock wave are enhanced in the current model due to the prediction of larger deflections and rotations at the higher dynamic pressures.  相似文献   

12.
This article presents numerical simulations of the limit-cycle oscillation (LCO) of a cropped delta wing in order to investigate the effects of structural geometric and material nonlinearities on aeroelastic behavior. In the computational model, the structural part included both the geometric nonlinearity that arises from large deflections, and the material nonlinearity that originates from plasticity. The Euler equations were employed in the fluid part to describe the transonic aerodynamics. Moreover, the load transfer was conducted using a 3-D interpolating procedure, and the interfaces between the structural and aerodynamic domains were constructed in the form of an exact match. The flutter and LCO behaviors of the cropped delta wing were simulated using the coupling model, and the results were compared with existing experimental measurements. For lower dynamic pressures, the geometric nonlinearity provided the proper mechanism for the development of the LCO, and the numerical results correlated with the experimental values. For higher dynamic pressures, the material nonlinearity led to a rapid rise in the LCO amplitude, and the simulated varying trend was consistent with the experimental observation. This study demonstrated that the LCO of the cropped delta wing was not only closely related to geometric nonlinearity, but was also remarkably affected by material nonlinearity.  相似文献   

13.
Kumar  Sandeep  Onkar  Amit Kumar  Maligappa  Manjuprasad 《Meccanica》2019,54(14):2207-2225
Meccanica - In this work, a stochastic finite element method based on first order perturbation approach is developed for the probabilistic flutter analysis of aircraft wing in frequency domain....  相似文献   

14.
基于带外挂机翼结构和气动特点,使用带有半解析半数值特性的传递函数方法进行处理.首先,通过机翼的运动微分方程、二元机翼非定常气动力Therdorson 模型、结合外挂挂载处的内力平衡与位移状态条件,得到了三维的带多个外挂大展弦比机翼的颤振微分方程.进而,使用传递函数方法,先将颤振计算方程整理成为状态空间方程形式,结合求解复特征值的方法,完成了带多个外挂大展弦比机翼的动气动弹性稳定性分析.对比已有文献的计算结果以及通过有限元方法进行的仿真结果,证实了文章所提计算方法的准确性和高效性,结合传递函数方法的优势,进一步将文章方法拓展到机翼的固有频率和发散速度求解.文章结尾,分析了外挂数量、外挂质量、转动惯量及位置分布等变量对带多个外挂大展弦比机翼的动气动弹性稳定性的影响.  相似文献   

15.
两种湍流模型时域颤振计算方法研究   总被引:2,自引:2,他引:0  
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。  相似文献   

16.
Limit cycle oscillations (LCO) as well as nonlinear aeroelastic analysis of rectangular cantilever wings with a cubic nonlinearity are investigated. Aeroelastic equations of a rectangular cantilever wing with two degrees of freedom in an incompressible potential flow are presented in the time domain. The harmonic balance method is modified to calculate the LCO frequency and amplitude for rectangular wings. In order to verify the derived formulation, flutter boundaries are obtained via a linear analysis of the derived system of equations for five different cases and compared with experimental data. Satisfactory results are gained through this comparison. The problem of finding the LCO frequency and amplitude is solved via applying the two methods discussed for two different cases with hardening cubic nonlinearities. The results from first-, third- and fifth-order harmonic balance methods are compared with the results of an exact numerical solution. A close agreement is obtained between these harmonic balance methods and the exact numerical solution of the governing aeroelastic equations. Finally, the nonlinear aeroelastic analysis of a rectangular cantilever wing with a softening nonlinearity is studied.  相似文献   

17.
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.  相似文献   

18.
The usefulness of flutter as a design metric is diluted for wings with destabilizing (softening) nonlinearities, as a stable high-amplitude limit cycle (subcritical) may exist for flight speeds well below the flutter point. It is thus desired to design aeroelastic structures such that the post-flutter behavior is as benign (i.e., supercritical) as possible, among the other constraints commonly considered in the optimization process. In order to account for these metrics in an accurate and efficient manner, direct tools are utilized to first locate the Hopf-point (flutter speed), and then to obtain a nonlinear perturbation solution via the method of multiple scales. The latter scheme provides a scalar variable whose sign and magnitude dictate the nature of the limit cycle. The accuracy of these methods is demonstrated with a high-aspect-ratio highly flexible wing, modeled with nonlinear beam finite elements and the ONERA dynamic stall tool. Stiffness and inertial design variables are allowed to vary spatially throughout the wing, in order to conduct gradient-based optimization of the limit cycle under flutter and mass constraints. The resulting wing structure demonstrates strongly supercritical behavior, as well as several design conflicts between linear (flutter) and nonlinear (limit cycles) sensitivities, which are not present in the uniform baseline wing.  相似文献   

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