基于POD和代理模型的静气动弹性分析方法

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.     

弹性支撑圆柱绕流稳定性分析

基于CFD 技术,采用系统辨识方法,建立了亚临界雷诺数(Re < 47) 下绕圆柱流动的非定常气动力模型(reduced order model, ROM). 耦合结构运动方程和降阶气动力模型,建立了弹性支撑圆柱绕流的稳定性分析模型. 算例分析了亚临界雷诺数下,结构固有频率、质量比等参数以及支撑方式对弹性系统稳定性的影响. 对于单自由度横向支撑圆柱,当结构固有频率趋近流动最不稳定模态频率时,弹性系统会在一定频率范围内失稳,这种现象最低可在Re~20 时出现. 旋转自由度的释放能够进一步降低系统的稳定性,可将临界雷诺数进一步降低至18 左右. ROM 方法不仅具有很高的效率,而且清晰地指出了弹性系统失稳的根本原因:流动模态和结构模态耦合作用导致结构模态失稳所致. 因此,失稳状态下系统振荡频率锁定于结构固有频率. 基于ROM 技术预测的失稳边界与直接CFD/CSD 仿真结果吻合,证明了该方法的正确性和精度.      

基于ROM技术的阵风响应分析方法

阵风响应分析是大型飞机设计过程中必不可少的环节. 现有的阵风响应分析 主要采用基于线化升力面理论的气动力模型，不能考虑到各种非线性效应，不适合于跨音速 气动弹性的分析. 基于CFD技术，采用系统辨识方法，在状态空间内建立了降阶的非定常气 动力模型(reduced order model, ROM). 耦合结构运动方程、非定常气动力模型 (结构运动)、外激阵风的气动力模型，建立了基于CFD技术的阵风响应分析模型. 算例研究了某一典型机翼在方波激励下的阵风响应问题，对比了各阶模态位移的响 应以及翼根弯矩的响应. 基于ROM技术的计算结果与 CFD/CSD直接耦合仿真结果吻合，证明了该方法的正确性和精度.     

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。     

CFD／CSD紧耦合及新型动网格方法在气动弹性模拟中的应用

研发出一套基于紧耦合的CFD／CSD耦合方法和程序。非定常流场求解采用混合网格有限体积方法,时间离散采用基于LU-SGS隐式格式的双时间步长法。通过求解雷诺平均Navier—Stokes方程模拟了三维机翼的跨音速气动弹性现象。得到了其颤振边界,与风洞实验结果吻合较好,验证了方法和程序的有效性和实用意义。同时将Delau...     

考虑流固耦合效应的某飞行器力学性能分析

考虑流固耦合效应,研究了飞行器在服役状态下的力学特性。本文采用了一种基于CFD/CSD(Computational Fluid Dynamics/Computational Structure Dynamics)耦合的高精度通用静气弹求解器,该求解器可以同时分析飞行器结构的表面气动性能和结构的力学性能,对某一翼身组合体模型进行了静气弹分析,得出弹性飞行器和刚性飞行器的气动压力变化以及结构的应力分布。建模时流体和结构模型都使用翼身组合模型,且都考虑机身的影响。结果表明:发生静气弹变形后,飞行器的升力系数、阻力系数、力矩系数都相应下降;机翼翼根附近会产生较大的应力分布;当飞行器尤其是机翼表面受到弯矩、扭矩以及气动压力的共同作用时,翼根附近会出现复杂的应力分布状态。这说明在静气弹性分析中,机身的建模也是很有必要的。     

逆向喷流流场模态分析及减阻特性研究

逆向喷流减阻的基本原理是利用逆向高速喷流与飞行器绕流的相互作用，使飞行器周围的流场结构发生变化，致使飞行器的气动特性发生改变，从而改善飞行器的气动性能。利用数值模拟方法对轴对称球头、截锥的逆向喷流流场开展了研究，考虑了高温非平衡化学反应对流场的影响。模拟了球头和截锥在不同总压比时流场不同的模态：长穿透流模态（LPM）和短穿透流模态（SPM），得到了不同模态下钝体表面压力、气动力系数和不同模态之间转换的瞬态效应．简单分析了喷流在减阻方面的应用，给出了几个喷口参数与减阻效率之间的关系，提出了喷流减阻工程应用时应考虑的主要因素。     

非定常流场降阶模型及其应用研究进展与展望

非定常流场模型降阶技术的出现,为CFD／CSD耦合数值模拟方法在工程设计中的广泛应用提供了新机遇．在对非线性系统模型降阶理论与方法进行概述的基础上,全面系统地介绍了非定常流场降阶模型的国内外研究进展．按基于系统辨识的降阶模型和基于流场特征结构的降阶模型两大类进行评述,比较了各种降阶模型的优缺点并指出了进一步改进的思路．...     

基于随机森林算法的非定常气动力建模研究

针对现有的非定常气动力建模方法对气动弹性预测的准确性和效率问题,将随机森林算法引入非定常气动力建模研究领域,构建了基于随机森林算法的非定常气动力降阶模型。将所得模型用于预测气动弹性,选择二维NACA0012翼型进行颤振边界的预测,选用NACA64A010翼型预测LCO特性,并说明了该降阶模型建模的详细过程,将其计算结果与CFD/CSD耦合计算结果及试验结果进行了对比。研究结果表明,该模型可行、高效且精确,可以快速准确地预测飞行器气动弹性特性。     

弹性飞行器气动伺服弹性稳定性分析与控制

轻质结构大长细比弹性飞行器开环闭环颤振及控制系统设计是气动伺服弹性稳定性校核与分析的核心问题。本文利用振动模态试验数据修正了弹性飞行器结构有限元模型;使用涡格法进行非定常气动力计算,并利用最小状态法获得了弹性飞行器刚弹耦合频时域状态空间方程。绘制系统状态矩阵特征值随动压变化绘制的根轨迹图对该弹性飞行器开环颤振进行了分析。最后使用线性二次型方法设计了弹性飞行器主动颤振抑制控制律和纵向姿态控制器。仿真结果表明,系统在短的上升时间内实现了对指令的跟随,超调量合理,无静态误差。本文所采用的方法能够满足工程设计需求。     

基于当地流活塞理论的气动弹性计算方法研究

发展了一种高效、高精度的超音速、高超音速非定常气动力计算 方法------基于定常CFD技术的当地流活塞理论. 运用当地流活塞理论计算非定常 气动力，耦合结构运动方程，实现超音速、高超音速气动弹性的时域模拟. 运用这 种方法计算了一系列非定常气动力算例和颤振算例，并和原始活塞理论、非定 常Euler方程结果作了比较. 由于局部地使用活塞理论假设，这种方法大大地克服 了原始活塞理论对飞行马赫数、翼型厚度和飞行迎角的 限制. 与非定常Euler方程方法相比，当地流活塞理论的效率很高.     

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%.     

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%.      

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.     

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.      

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.     

复合材料层合板的颤振特性及振动抑制研究

研究了超声速流中压电复合材料层合板的颤振特性及振动抑制方法。采用一阶活塞理论计算了超声速流场中的气动压力,基于经典层合板理论和Hamilton原理推导了压电复合材料层合板的动力学模型,设计了滑模观测器以减少观测溢出,通过Lyapunov方法证明观测器的稳定性,应用观测状态设计了LQR控制器,讨论了几何参数、铺设角度对压电复合材料层合板颤振特性的影响,利用SIMULINK仿真求解了层合板的脉冲响应,验证了控制器的有效性。结果表明,合理规划层合板的几何参数和铺设角度可提高系统颤振稳定性,滑模观测器能够较为准确地追踪原始系统且具有良好的鲁棒性,LQR控制可以在一定范围内消除层合板的颤振点,并且能够有效地控制压电复合材料层合板在颤振边界处的振动,Q矩阵越大,振动控制效果越好,压电层厚度越大,LQR控制效果越好。     

Experimental observation of single mode panel flutter in supersonic gas flow

Single mode flutter is a type of panel flutter, which cannot be analyzed theoretically using conventional piston theory, and for this reason it is studied very little. No previous experiments, where this type of panel flutter was clearly detected, were conducted. In this paper a plate, designed such that it cannot experience “classical” coupled-mode type flutter, but can experience single mode flutter, is tested. Analysis of the tested data clearly indicates the occurrence of single mode panel flutter.     

Unsteady aerodynamic reduced-order modeling of an aeroelastic wing using arbitrary mode shapes

Computational fluid dynamics (CFD) based unsteady aerodynamic reduced-order model (ROM) can offer significant improvements to the efficiency of transonic aeroelastic analysis. To construct a ROM based on mode shapes, one run of CFD solver is needed to compute aerodynamic responses corresponding to mode excitations. When mode shapes change with structure, another run of the CFD solver is required to construct the new ROM. The typically large computational cost associated with repeated runs of the CFD solver impedes the application of existing unsteady aerodynamic reduced-order modeling methods to transonic aeroelastic design optimization and aeroelastic uncertainty analysis. This paper demonstrates a method that can replace the CFD solver used in the process of existing unsteady aerodynamic reduced-order modeling. It can produce aerodynamic responses corresponding to mode excitations for arbitrary mode shapes within a few seconds. Computational cost can be reduced by two orders of magnitude using the mode excitations and the corresponding aerodynamic responses computed by the method to construct the ROMs used for flutter analyses in aeroelastic design optimization or aeroelastic uncertainty analysis in transonic regime compared with the existing unsteady aerodynamic reduced-order modeling methods. Results show that the method can accurately produce the aerodynamic responses corresponding to the mode excitations and predict the flutter characteristics of AGARD 445.6 wings root-attached in three different ways.     

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。