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。     

基于CFD/CSD分区耦合的气动弹性数值模拟

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。     

复合受力下焊接栓钉SRC柱抗扭承载力计算

为研究压、弯、剪、扭复合受力下焊接栓钉型钢混凝土(SRC)柱的抗扭承载力计算方法,基于滞回性能试验结果,分析了试验过程和破坏形态,利用了空间桁架理论与叠加原理,提出了复合受力下焊接栓钉SRC柱抗扭计算模型和强度统一方程。结果表明:所提出的强度统一方程和抗扭承载力计算方法的计算结果与试验结果均值误差均在3%内,吻合较好。     

考虑榫接接触刚度的叶轮耦合振动特性计算方法研究

对叶片轮盘典型榫接结构的接触刚度进行了分析,给出了叶轮间接触刚度的计算方法;建立了叶片轮盘榫接耦合计算模型,采用对称循环分析方法对叶轮进行振动特性计算,得到叶轮耦合结构在不同工作转速下的振型及频率;对叶轮耦合结构进行锤击模态试验得到实际频率值。本文计算值与实测值在前3阶的相对误差分别为2.38%、1.58%、3.18%,误差均较小,验证了本文方法的可行性。     

复杂外形飞行器压力分布CFD数值模拟与试验结果比较

为观察粘性效应对物面压力分布的影响,并验证 CFD 数值模拟方法的计算结果,设计了翼-身-舵组合体模型,利用航天空气动力技术研究院的FD-20炮风洞,在马赫数Ma分别取6、8且攻角α分别取0o、10o、20o的条件下进行了风洞测压试验,同时用Euler方程和N-S方程计算了模型的表面压力并与试验结果进行了比较。结果表明：除少数测点外,弹身、弹翼、舵面及弹身-弹翼干扰区的 Euler方程和 N-S方程计算结果都比较一致,除了攻角α=20°时的弹翼外,计算结果都与试验结果吻合较好。攻角α=20°的极小展弦比三角弹翼,由于侧前缘脱涡等分离现象的存在,实验值普遍高于计算值10%～15%,但变化趋势一致。因此,在采用CFD数值模拟与工程计算相结合的方法进行气动加热或非定常气动力的计算中,采用Euler方程代替N-S方程求解边界层外缘参数和当地流参数是合理的。     

高温非平衡流动中的氧分子振动态精细分析

高超声速流动在头激波压缩后常处于高 温条件下的热化学非平衡状态. 本文采用态-态方法和双温度模型计算分析了一维正激波后和高超声速钝体绕流驻点线上的氧气热化学非平衡流动. 态-态方法将氧气的每个振动能级当成独立的组分,通过耦合 Euler 方程或驻点线上的降维 Navier-Stokes 方程,数值求解得 到了高温流动中的精细热化学非平衡状态. 而双温度模型假设氧气的振动能级服从 Boltzmann 分布,通过求解振动能方程得到振动温度. 一维正激波后热化学松弛过程的计算结果表明,态-态计算预测的温度分布和氧原子浓度分布较好地吻合了文 献中的实验结果,而经典的双温度模型的预测结果误差较大,且不同双温度模型的计算结果比较发散. 态-态方法详细地给出了所有振动能级的变化过程. 无论是正激波还是脱体激波后的流场,都是高振动能级首先得到激发;但是数密度大的低振动能级先达到热平衡,而高能级 分子要经过很长距离后才能达到热平衡. 在驻点附近,复合反应生成的氧气分子处于高振动能级,导致高振动能级分子数密度显著高于平衡分布. 计算还发现,经典双温度模型的离解反应速率明显偏离态-态计算结果,无法准确体现振动离解耦合效应对离解反应 速率的影响,但是 Park 双温度模型将离解失去的振动能取为 0.3$\sim 高超声速流动在头激波压缩后常处于高 温条件下的热化学非平衡状态. 本文采用态-态方法和双温度模型计算分析了一维正激波后和高超声速钝体绕流驻点线上的氧气热化学非平衡流动. 态-态方法将氧气的每个振动能级当成独立的组分,通过耦合 Euler 方程或驻点线上的降维 Navier-Stokes 方程,数值求解得 到了高温流动中的精细热化学非平衡状态. 而双温度模型假设氧气的振动能级服从 Boltzmann 分布,通过求解振动能方程得到振动温度. 一维正激波后热化学松弛过程的计算结果表明,态-态计算预测的温度分布和氧原子浓度分布较好地吻合了文 献中的实验结果,而经典的双温度模型的预测结果误差较大,且不同双温度模型的计算结果比较发散. 态-态方法详细地给出了所有振动能级的变化过程. 无论是正激波还是脱体激波后的流场,都是高振动能级首先得到激发;但是数密度大的低振动能级先达到热平衡,而高能级 分子要经过很长距离后才能达到热平衡. 在驻点附近,复合反应生成的氧气分子处于高振动能级,导致高振动能级分子数密度显著高于平衡分布. 计算还发现,经典双温度模型的离解反应速率明显偏离态-态计算结果,无法准确体现振动离解耦合效应对离解反应 速率的影响,但是 Park 双温度模型将离解失去的振动能取为 0.3$\sim $0.5 倍分子离解能是比较合理的.     

基于ANSYS ACP的复合材料螺旋桨流固耦合计算方法

针对复合材料螺旋桨的流固耦合水弹性行为,为形成双向耦合的集成平台,对复合材料螺旋桨进行了流固耦合计算方法的研究。在ANSYS Workbench平台中,采用ACP模块对复合材料螺旋桨的建模进行了分析,介绍了复合材料螺旋桨的建模流程、流体计算模型和固体计算模型。通过静态加载试验对复合材料螺旋桨建模方法的可靠性进行了验证,计算值与试验值的偏差在5.1%以内,且反映出材料的各向异性。通过空泡水洞模型试验对复合材料螺旋桨流固耦合敞水性能计算方法的精确度进行了验证,在转速为12.7r/s和25r/s两个工况下计算的推力和扭矩与试验值吻合较好。验证了基于ANSYS ACP的复合材料螺旋桨稳态流固耦合计算方法合理可行,为复合材料螺旋桨的流固耦合振动特性分析提供了参考。     

内锥流量计流出系数预测方法研究

采用标准k-ε模型、RNG(Renormalization Group)k-ε模型、Realizable k-ε模型和Reynolds应力方程模型 RSM(Reynolds Stress Model) 对100 mm口径6种结构的内锥流量计内流场进行了数值模拟.在等效直径比β值为0.65的三种结构内锥流量计流出系数的仿真计算中,四种湍流模型计算结果与物理实验结果误差的平均值分别为4.19%,2.84%,2.88%和-0.822%;对β值为0.85的情况,各模型计算误差的平均值分别为11.8%,9.62%,9.30%和4.76%.研究结果表明,RSM模型在6种结构内锥流量计流出系数的预测中,计算精度较高,表现出了较好的性能,优于三种k-ε涡粘模型,更适于内锥流量计流场数值模拟与流出系数的预测.     

考虑当地涡旋运动修正的湍流模型在非定常空化湍流流场计算中的应用

为了更精确地模拟当地涡旋运动对复杂非定常空化湍流流动的影响,考虑当地涡旋运动特性对标准k-ε湍流模型进行了修正;并采用该修正模型对二维Clark-Y水翼周围非定常空化湍流场进行了计算;通过与实验结果进行对比,分析并验证了该修正模型计算结果的有效性。研究表明:该修正湍流模型根据当地涡旋效应对湍动能输运方程中的生成项进行修正,可以有效解决标准k-ε模型对湍动能的过度预测问题,得到的空化核心区域时均湍动能和湍流黏性的预测结果降低了约30%,与实际值更为接近;标准k-ε模型计算所得的时均空泡长度不大于0.6倍弦长,而修正模型计算所得的时均空穴可以覆盖水翼吸力面;修正模型可以准确预测水翼吸力面表面空泡的非定常脱落过程,包括附着空穴的拉伸和断裂,以及脱落空泡的逐渐消失。     

高温非平衡流动中的氧分子振动态精细分析

高超声速流动在头激波压缩后常处于高温条件下的热化学非平衡状态.本文采用态-态方法和双温度模型计算分析了一维正激波后和高超声速钝体绕流驻点线上的氧气热化学非平衡流动.态-态方法将氧气的每个振动能级当成独立的组分,通过耦合Euler方程或驻点线上的降维Navier-Stokes方程,数值求解得到了高温流动中的精细热化学非平衡状态.而双温度模型假设氧气的振动能级服从B oltzmann分布,通过求解振动能方程得到振动温度.一维正激波后热化学松弛过程的计算结果表明,态-态计算预测的温度分布和氧原子浓度分布较好地吻合了文献中的实验结果,而经典的双温度模型的预测结果误差较大,且不同双温度模型的计算结果比较发散.态-态方法详细地给出了所有振动能级的变化过程.无论是正激波还是脱体激波后的流场,都是高振动能级首先得到激发;但是数密度大的低振动能级先达到热平衡,而高能级分子要经过很长距离后才能达到热平衡.在驻点附近,复合反应生成的氧气分子处于高振动能级,导致高振动能级分子数密度显著高于平衡分布.计算还发现,经典双温度模型的离解反应速率明显偏离态-态计算结果,无法准确体现振动离解耦合效应对离解反应速率的影响,但是Park双温度模型将离解失去的振动能取为0.3～0.5倍分子离解能是比较合理的.     

Experimental investigation of single-mode panel flutter in supersonic gas flow

Panel flutter theory distinguishes between two types of the loss of stability, namely, the flutter of the coupled type and the single-mode flutter. The flutter of the coupled type is well studied, both theoretically and experimentally. The single-mode flutter has been theoretically studied only quite recently. This study is devoted to the experimental investigation of the single-mode panel flutter. The fact of its generation under actual conditions is established and the stability range is determined.     

Panel flutter prediction in two dimensional flow with enhanced piston theory

Piston theory may be used in the high Mach number supersonic flow region and/or in very high frequency subsonic or supersonic flow. In this flow model, the pressure at a point on the fluid-solid interface only depends on the downwash at the same point. However the classical piston theory may not be sufficient for some phenomena in aeroelasticity and aeroacoustics (far field prediction). Dowell and Bliss have created an extension of piston theory that allows for higher order effects that take into account the effect the distribution of downwash on pressure at any point. For simple harmonic motion, expansions in reduced frequency, inverse reduced frequency and/or inverse (square of) Mach number have all been created; The effects of higher order terms in these several expansion in creating an enhanced piston theory was illustrated for plunge and pitch motion of an airfoil (discrete system) by Ganji and Dowell. In the present paper, flutter prediction for a flexible panel in two –dimensional flow is investigated using enhanced piston theory. The goal of the present paper is to demonstrate that an enhance version of piston theory can analyze single degree of freedom flutter of a panel as compared to the classical piston theory and quasi-steady aerodynamic models which can only treat coupled mode flutter.     

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.      

菱形颗粒冲击材料表面冲蚀磨损特性分析

基于弹射试验装置，借助高速摄像机捕捉不同入射条件下单个菱形颗粒冲击金属表面的动态过程，同时结合试验过程建立菱形颗粒冲击金属表面的FEM-SPH耦合数值模型，通过对比试验现象与仿真结果优化数值模型参数，最后借助数值模型进一步分析菱形颗粒在临界冲击、自身初始旋转以及重复冲击等工况下的运动行为及预测的凹坑轮廓形态. 结果表明:优化后的模型能够很好地捕捉颗粒冲击过程中金属表面凹坑的产生及演化规律，并能详细记录颗粒的入射行为及反弹规律，测得颗粒反弹速度和反弹角度误差均在14%以内. 临界冲击工况下颗粒动能损失最大，且冲击角越高，残余动能越少；颗粒初始旋转能够改变其反弹后的运动行为及金属表面材料的失效方式；颗粒重复冲蚀对材料表面的作用机制与后续颗粒的入射条件有密切关系，模型成功捕捉到重复冲蚀导致的材料破坏加深和破坏减缓两种特殊现象.      

桥梁节段模型气弹振动的非线性判别方法研究

在ERA(Eigensystem Realization Algorithm)的理论框架内建立了误差因子,评估桥梁节段模型风洞实验中气动导数的辨识质量。通过子空间能量分解,分别计算辨识过程中有效识别信号成分能量和未被识别信号成分能量与总信号能量的比值,并以此构造误差因子。将相同实验环境下自由衰减振动和尾流激励随机振动两组实验的误差因子相互比对,判断桥梁节段模型的气弹振动非线性是否对气动导数辨识结果产生影响。依据误差因子判断,在本文所使用的两种节段模型中,部分流线型箱梁断面具有较强的耦合非线性;而槽形开口型断面的模型具有较低的耦合非线性。     

Thermal contact conductance of nominaly flat surfaces

The variation of thermal conductance of contact has been investigated as a function of apparent contact pressure experimentally. Experimental data has been obtained for steel, brass, copper and aluminum test pieces having different surface roughness over a wide range of contact pressures. Experimental results are compared with the theoretical predictions of an existing theory. Comparison revealed good agreement of trend with the experimental data, however, numerical values vary widely. Theory can predict the experimental results within an over-all error of less than 35%. An erratum to this article can be found at     

Computation of cascade flutter by uncoupled and coupled methods

A computational method for flutter prediction of turbomachinery cascades is presented. The flow through multiple blade passages is calculated using a time-domain approach with coupled aerodynamic and structural models. The unsteady Euler/Navier-Stokes equations are solved in quasi-three-dimensions using a second-order implicit scheme with dual time-stepping and a multigrid method. A structural model for the blades with bending and torsion degrees of freedom is integrated in time together with the flow field. Information between structural and aerodynamic models is exchanged until convergence in each real-time step. Computational results for a cascade are presented and compared with those obtained by the conventional energy method and with experimental and numerical data by other authors. Significant differences are found between the coupled and uncoupled methods at low mass ratios. A transonic test case with strong nonlinear phenomena is investigated with the fluid-structure coupled method. Results for inviscid flow are compared with results of Navier-Stokes computations.     

双目视觉技术在高超声速颤振风洞试验中的应用

以验证高超声速颤振风洞试验技术为目标,为了获取试验模型在风洞流场激励下的位移形貌,运用风洞试验的方法研究了某翼面模型的颤振特性。采用一种基于双目视觉系统的试验方法,系统主要由CCD相机、图像采集卡和控制计算机组成,通过立体视觉标定和数字图像处理技术解算出模型变形的形貌。试验结果表明,该方法应用成功,与CFD/CSD数值计算结果比对良好,验证了该技术在高超声速风洞试验中应用的可行性。     

Comparison of slamming and whipping loads by fully coupled hydroelastic analysis and experimental measurement

This paper proposes a numerical method for analyzing whipping using a fully coupled hydroelastic model. The numerical analysis method utilizes a 3-D Rankine panel method, 1-D/3-D finite element methods, and a 2-D generalized Wagner model, which are strongly coupled in the time domain. The computational results were compared with those of a model test of an 18 000-TEU containership. The slamming pressures and whipping responses to regular waves for bow flare and stern slamming were compared. Furthermore, the slamming pressure was decomposed into its dynamic and static components. The numerical and experimental models produced similar results. In addition, the effects of the discretization and geometric approximation of the 2-D slamming sections were investigated.