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%.     

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.     

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．     

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%。     

高速小展弦比机翼颤振的微分求积法分析

引入微分求积法,分析高速小展弦比机翼的气动弹性问题。将小展弦比机翼等效为悬臂板,基于一阶活塞气动力理论建立机翼颤振偏微分方程,采用微分求积法将偏微分方程转化为常微分方程,根据频率重合理论对颤振问题进行求解。分析了机翼的固有频率及颤振速度,并与有限元软件计算结果进行比较,误差在2％以内,很好的验证了微分求积法求解小展弦比机翼颤振问题的有效性。分析了机翼面积、展弦比及厚度对颤振速度的影响,结果表明,小展弦比机翼的颤振速度受结构尺寸的影响较大,颤振速度随面积和展弦比的增大而减小,随机翼厚度的增大而增大。     

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。     

基于气动力降阶模型的跨音速气动弹性稳定性分析

基于离散型输入输出差分模型,运用非定常CFD方法训练信号,然后运用最小二乘方法进行参数辨识,得到降阶的非定常气动力模型,再将该离散差分模型转换为连续时间域内的状态方程。耦合气动状态方程和结构状态方程,得到耦合系统的气动弹性状态方程。求解不同动压下状态矩阵的特征值,根据根轨迹图分析系统的稳定性特性。分析结果与直接耦合CFD/CSD方法结果相吻合,可以计算跨音速非线性气动弹性问题。其计算效率比直接耦合CFD/CSD方法提高1~2个数量级。针对Isogai wing在跨音速出现的S型颤振边界进行了较为细致的分析,阐述了该现象是由于系统诱发颤振的分支随着速度(来流动压)的提高而发生转移所导致的。     

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.     

配重位置对全动舵面颤振抑制效果研究

为了研究配重位置对舵面颤振特性的影响,用有限元方法分析了舵面模态,用当地流活塞理论计算非定常气动力,应用Lagrange方程,建立基于模态坐标的颤振运动方程。研究表明:不同位置配重导致不同的颤振边界,放置于前缘与尖弦交点对提高临界动压效果最为明显;在工程设计中,不能简单的以质心前移或者增大扭转-弯曲频率比来指导全动舵面的颤振抑制设计,在前缘与根弦交点附近处加配重使得质心前移,甚至会使临界动压下降;配重通过削弱振型的耦合程度来抑制颤振,配重位置应尽量取在前缘与尖弦交点附近,使得弯、扭振型耦合程度削弱。     

高超声速舵面热气动弹性不确定性及全局灵敏度分析

鉴于高超声速中气动热预测的不确定性影响热气动弹性分析的可靠性,提出一种温度分布参数化模型,基于此模型,对高超声速舵面热气动弹性中气动热的不确定性及全局灵敏度进行分析,分析方法:求解N-S方程得到物面的温度分布,对此温度分布进行参数化,分别采用蒙特卡罗模拟(Monte Carlo simulation,MCS)方法和稀疏网格数值积分(spare grid numerical integration,SGNI)方法生成不确定性及全局灵敏度分析所需样本,对所有样本都进行热气动弹性分析,热气动弹性分析过程为:由样本得到温度分布,基于此温度分布,考虑热应力和材料属性的影响,对结构进行模态分析,将结构模态插值到气动网格,采用基于CFD的当地流活塞理论进行了气动弹性分析.分别在两种飞行状态下进行分析,计算结果表明:(1) M=5,H=15 km,结构固有频率和颤振分析结果的变异系数约为5.83%;(2) M=6,H=15 km,结构和颤振分析结果的变异系数约为8.84%.两种状态下,两个不确定参数的全局灵敏度都在50%左右,两者耦合作用很小,约为0.与MCS方法相比,SGNI方法显著的提高了不确定性分析效率.      

主动约束层阻尼对超声速梁结构颤振特性的影响

本文采用主动约束层阻尼技术研究超声速梁的颤振特性,利用Hamilton原理和假设模态方法建立结构的运动方程,采用活塞理论模拟超声速梁的气动压力,采用速度负反馈控制获得主动阻尼,求解本征值问题得到复特征值,进而得到结构的固有频率和损耗因子.计算结构的固有频率随无量纲气动压力的变化曲线,得到颤振点,分析了主动阻尼和被动阻尼对颤振速度的影响.计算结果表明主动阻尼可以影响梁的气动弹性特性,并增大超声速梁的颤振速度.本文研究结果对超声速飞行器结构的颤振分析和气动设计具有重要意义.     

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.     

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。     

轴向受载的Euler-Bernoulli梁的双向弯曲扭转耦合振动研究

本文研究了轴向受载的Euler-Bernoulli梁的双向弯曲扭转耦合自由振动问题.选择梁横截面的剪切中心作为坐标原点,坐标轴平行于梁截面的几何轴;振动微分方程中有关梁截面几何特性的参数均采用相对于几何轴的参数.结合具体的边界条件求解自由振动微分方程组,辅以Mathematica软件计算梁振动的固有频率.针对具体的算例,给出了三种边界条件下梁弯扭耦合振动的固有频率的数值结果,并与Ansys软件的计算结果进行了比较,分析了误差来源以及轴向荷载对弯扭耦合自由振动的影响.数值结果验证了本文方法在其适用范围内的精确性和有效性.本文忽略了翘曲刚度的影响.     

基于CFD的方形截面导弹纵向虚拟飞行模拟

通过将飞行力学模型及操纵控制舵面的控制律同流体力学方程耦合求解, 能够完成基于CFD方法的虚拟飞行模拟. 通过这种方法实现了方形截面导弹的纵向虚拟飞行模拟. 着重介绍了将飞行力学方程及舵偏控制律耦合到CFD解算器中的方法, 以及用于复杂外形的需要随飞行器及舵偏一起运动的多块结构网格更新方法,研究成果未来可用于非线性条件下飞行器稳定性及控制律的检验. 完成了方形截面导弹纵向虚拟飞行模拟,包括纵向俯仰自由度的迎角保持机动和通过舵面的偏转控制飞行器迎角按照预定的变化量减小; 通过两种典型机动动作的模拟,证明发展的耦合计算方法以及所采用的配平算法可以成功地应用于虚拟飞行模拟中.      

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。     

超音速气流中贴压电层的功能梯度材料混合板的颤振分析

基于复合材料薄板理论和有气流偏角的气动压力的一阶活塞模型,建立了超音速气流作用下上、下表面粘贴压电层的功能梯度材料混合板的气动弹性力学模型;用Galerkin法求解并分析了气流马赫数、气流偏角、压电层预加电压、热环境等因素对混合板固有频率和颤振临界速压的影响。结果表明:混合板的固有频率随马赫数和温度的升高而降低,随气流偏角的不断增加而呈现波动现象;通过调整压电层的预加电压可以提高混合板的颤振临界速度。     

多场耦合求解非线性气动弹性的研究综述

非线性气动弹性分析中,涉及到非线性流体动力学和非线性结构动力学的耦合问题.阐述了国内外应用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)/计算结构动力学(computational structural dynamics,CSD)耦合求解技术来处理非线性气动弹性问题的研究现状,全面分析了流体域和结构域的非线性特征模拟技术、高效网格运动策略、耦合界面相容性条件、耦合计算效率及降阶技术、气动弹性实验及算法验证、多学科耦合求解等关键技术,总结了相关最新研究的方法和成果, 对比分析了其优缺点并提出了展望.      

轴向受载的Bernoulli—Euler薄壁梁固有振动和稳定性的理论研究

通过直接求解轴向受载的单对称均匀Bernoulli-Euler薄壁梁单元弯扭耦合振动的运动微分方程,推导了其动态传递矩阵,讨论了轴向载荷的变化对薄壁梁弯扭耦合振动固有频率的影响,并由此得到零频率振动（弹性屈出）发生时相应的轴向载荷,数值结果表明本文方法在其适应范围内是精确有效的。     

单向偏心粘弹性梁弯扭耦合振动复模态分析

对单向偏心等截面粘弹性梁,考虑偏心引起的弯扭耦合作用.将运动方程写成状态方程形式,利用复模态正交性将其解耦成为若干个广义复振子的求解和叠加问题;使用跟踪结构边界条件矩阵行列式零点的方法求得复频率和复模态,进而可以求得粘弹性偏心梁在任意初始条件和外部激励下的动力响应.通过算例,从结构复频率、复模态幅值和幅角、在不同频率简谐集中力作用下结构动力响应等方面综合分析了粘弹性阻尼和弯扭耦合的影响.计算结果表明,在粘弹性阻尼作用下,衰减系数随振型阶数而增大,振动频率随之不断减小;单纯弯曲和扭转振动的固有频率分布影响各阶复模态中弯扭耦合作用的强弱.通过与有限元法计算结果比较,验证了本文方法的合理性.