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.     

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.     

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.      

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.      

基于Mindlin横剪变形理论的功能梯度板热屈曲分析

Mindlin板理论对挠度和转角采用各自独立的场函数以反映一阶横向剪切变形,具有简明的表达式,适于建立功能梯度板的热屈曲分析模型。本文假设功能梯度材料沿板厚方向的分布为幂函数,采用混合定律和Mori-Tanaka方法计算功能梯度板的均质化等效力学性能。基于Mindlin板理论和von Karman应变-位移关系导出功能梯度板的非线性静力平衡方程,采用3结点三角形MIN3单元建立功能梯度板热屈曲的有限元模型,并分析了典型功能梯度板的热屈曲稳定性和热后屈曲变形。陶瓷-金属功能梯度板的数值计算结果表明:材料分布幂指数越大,即组份中陶瓷体积含量越少、金属体积含量越多,则陶瓷-金属功能梯度板的屈曲温度越低,且热后屈曲变形越大。这与陶瓷的弹性模量比金属的弹性模量大,但金属的热膨胀系数比陶瓷高有关;固支功能梯度板的热屈曲变形幅值比简支功能梯度板的热屈曲变形幅值低,但偏差量随着材料分布幂指数的增大略微降低。     

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.     

热荷载作用下Timoshenko功能梯度夹层梁的静态响应

在精确考虑轴线伸长和一阶横向剪切变形的基础上建立了Timoshenko功能梯度夹层梁在热载荷作用下的几何非线性控制方程.采用打靶法数值求解所得强非线性边值问题,获得了两端固支功能梯度夹层梁在横向非均匀升温作用下的静态热过屈曲和热弯曲变形数值解.分析了功能梯度材料参数变化、不同表层厚度和升温参数对夹层梁弯曲变形、拉-弯耦...     

超声速复合材料层合壁板结构的颤振特性分析

对超声速复合材料壁板结构的气动弹性颠振特性进行了分析研究.采用Hamilton原理和假设模态法建立结构的运动方程,采用活塞理论模拟超声速非定常气动力,通过求解本征值问题,得到结构的固有频率和阻尼比等物理量.数值计算了结构无量纲固有频率随气动压力的变化曲线,确定颤振临界气动压力(或颤振速度),并计算了结构的受迫振动时间响应历程曲线,分析比较了不同纤维铺设方式和不同铺设角度对超声速复合材料壁板结构气动弹性稳定性的影响.本文研究结果对超声速飞行器壁板结构的气动弹性稳定性分析和设计具有理论参考价值.     

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。      

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。     

AEROELASTIC PROPERTIES OF SANDWICH BEAM WITH PYRAMIDAL LATTICE CORE CONSIDERING GEOMETRIC NONLINEARITY IN THE SUPERSONIC AIRFLOW

The equation of motion of sandwich beam with pyramidal lattice core in the supersonic flow considering geometric nonlinearity is formulated using Hamilton's principle. The piston theory is used to evaluate aerodynamic pressure. The structural aeroelastic properties are analyzed using frequency- and time-domain methods, and some interesting phenomena are observed. It is noted that the flutter of sandwich beam occurs under the coupling effect of low order modes. The critical flutter aerodynamic pressure of the sandwich beam is higher than that of the isotropic beam with the same weight, length and width. The influence of inclination angle of core truss on flutter characteristic is analyzed.     

Superior aeroelastic behaviors of axially functional graded cylindrical shells in supersonic airflow

It is well known that mode localization occurs in the panel flutter structural systems. Therefore, it is reasonable to expect the aeroelastic stability of the structure to be enhanced by changing the geometrical sizes and material properties of the structure along the airflow direction. In this investigation, an axially functionally graded (AFG) cylindrical shell is designed and its super aeroelastic behaviors in supersonic airflow are studied. The enhanced aeroelastic stability and the excellent capability in the passive flutter suppression are achieved by the present AFG design. For the thickness of the cylindrical shell, three types of functions are analyzed. Numerical results show that all these three functions can increase the flutter bound of the cylindrical shell to some extent. It is also noted that in some situations, local mode coalescence happens. In this study, an effective method is proposed to eliminate the local mode coalescence by adding the lumped mass. For the material properties, two groups of functions are considered. It is found that under suitable parameters of the functions, even if the effective stiffness of the whole structural system decreases, the flutter bound of the structure can still be increased due to the AFG design. In addition, the flutter stability of the AFG cylindrical shell is much better than that of the traditional transversely functionally graded shell. The present study is significant in the aeroelastic design of aerospace vehicles.     

DEVELOPMENT OF A THREE-DIMENSIONAL VISCOUS AEROELASTIC SOLVER FOR NONLINEAR PANEL FLUTTER

A new three-dimensional (3-D) viscous aeroelastic solver for nonlinear panel flutter is developed in this paper. A well-validated full Navier–Stokes code is coupled with a finite-difference procedure for the von Karman plate equations. A subiteration strategy is employed to eliminate lagging errors between the fluid and structural solvers. This approach eliminates the need for the development of a specialized, tightly coupled algorithm for the fluid/structure interaction problem. The new computational scheme is applied to the solution of inviscid two-dimensional panel flutter problems for subsonic and supersonic Mach numbers. Supersonic results are shown to be consistent with the work of previous researchers. Multiple solutions at subsonic Mach numbers are discussed. Viscous effects are shown to raise the flutter dynamic pressure for the supersonic case. For the subsonic viscous case, a different type of flutter behavior occurs for the downward deflected solution with oscillations occurring about a mean deflected position of the panel. This flutter phenomenon results from a true fluid/structure interaction between the flexible panel and the viscous flow above the surface. Initial computations have also been performed for inviscid, 3-D panel flutter for both supersonic and subsonic Mach numbers.     

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。