高速飞行器壁板颤振的分析模型和分析方法

壁板颤振是壁板结构在高速气流中产生的一种自激振动,在超声速和高超声速飞行器上特别容易发生这种现象。壁板颤振引发的非线性振动将对高速飞行器结构的疲劳强度、飞行性能和飞行安全带来不利的影响。随着高速飞行器设计中各项研究工作的开展,壁板颤振问题受到了到越来越多的重视。本文阐述了目前国内外学者在高速飞行器壁板颤振分析领域的研究现状及壁板颤振研究中常用的六种分析模型,并根据壁板颤振分析中使用的结构理论和气动力理论,详述了这种分类的依据。文中还介绍了温度、气流偏角、壁板几何尺寸及边界条件对壁板颤振的影响规律和目前常用于分析壁板颤振问题的频域和时域方法,总结了各种分析方法的优缺点。最后归纳了目前在高速飞行器壁板颤振研究中得出的几个重要结论,提出了今后在高速飞行器壁板颤振研究中需要解决的若干问题。     

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.     

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.     

正弦相位调制型激光自混合干涉仪的实时位移测量技术

采用正弦相位调制技术与时域解调相位方法相结合,提高激光自混合干涉仪在大量程位移测量中实时测量的准确度和速度。通过在激光器外腔中放置的电光晶体调制器对光束进行正弦相位调制,采用时域解调相位方法解调干涉信号相位。同时满足了大量程位移测量过程中的速度要求以及实现干涉仪位移测量的实时性。实验上,用PI公司高分辨率的商用电动位移平台标定的结果验证了该正弦相位调制激光自混合干涉仪在百毫米级大尺度位移测量中可达到小于0.5μm的位移测量误差。对干涉仪在实时位移测量中的影响测量速度的因素进行了分析,得出了本干涉仪的测速上限。     

热过屈曲功能梯度壁板的气动弹性颤振

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.     

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

为考查假设模态法应用于壁板非线性颤振响应时域分析的可行性,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.     

基于频分复用技术的激光反馈干涉二维动态位移测量

提出了一种基于频分复用技术的激光反馈干涉二维动态位移测量方法。激光器输出的光被分为两路,分别以±1级自准直衍射角入射至反射光栅,并沿原光路返回至腔内产生激光反馈干涉效应。在±1级衍射光路中放置电光晶体对光束相位进行高频调制,利用频分复用技术实现二维动态位移的测量。实验结果表明,所提方法能够重构出物体的二维动态位移,位移分辨率可达10 nm量级。所提方案通过在激光反馈干涉仪中引入衍射光栅,提高了激光反馈干涉测量系统的稳定性和抗环境干扰能力,同时也为使用单光源进行多维度微位移测量提供了新的思路。     

基于频分复用技术的激光反馈干涉二维动态位移测量

提出了一种基于频分复用技术的激光反馈干涉二维动态位移测量方法。激光器输出的光被分为两路,分别以±1级自准直衍射角入射至反射光栅,并沿原光路返回至腔内产生激光反馈干涉效应。在±1级衍射光路中放置电光晶体对光束相位进行高频调制,利用频分复用技术实现二维动态位移的测量。实验结果表明,所提方法能够重构出物体的二维动态位移,位移分辨率可达10 nm量级。所提方案通过在激光反馈干涉仪中引入衍射光栅,提高了激光反馈干涉测量系统的稳定性和抗环境干扰能力,同时也为使用单光源进行多维度微位移测量提供了新的思路。     

热环境下复合材料壁板的振动特性分析

针对飞行器中常见的壁板结构,运用能量原理和变分方法,建立了定常温度场下复合材料壁板振动的控制方程以及相应的有限元分析模型。分析了热环境对壁板振动特性影响的机理,同时提出了一种针对热环境下复合材料壁板振动特性分析的线性化计算方法。采用这种方法,热环境的影响以一个热刚度项和一个热载荷项的形式出现在常温下的振动运动方程中,由此可以较准确地模拟热效应对结构振动特性的影响。通过对热环境下复合材料壁板振动固有特性数值分析结果的对比,验证了本文方法的可行性和计算精度。同时分析结果表明,热效应产生的诱导应力对结构刚度的影响是导致壁板固有振动频率降低的主要原因。     

基于银/二氧化钛复合膜的表面等离子共振气体传感器

表面等离子体共振是一种免标记的传感技术,当介质周围的介电常数发生改变时,则SPR谐振光谱特性也会随之改变。因此表面等离子体共振传感技术已广泛应用于生物化学和环境监测等领域。由于二氧化钛（TiO₂）覆盖层不仅可以保护金属层,还能调谐SPR谐振的光谱强度和谐振波长于近红外波段,应用于1550 nm的光纤传感,其氧化还原反应还能使其用于检测气体。由于氢气易燃易爆性,随着氢能源的广泛应用,因此对低浓度氢气检测技术研究具有特殊的意义。提出一种可更换银/二氧化钛复合膜的表面等离子共振的气体传感器,研究了SPR传感器在1 550 nm近红外波段对气体的敏感特性。研制了可更换银/二氧化钛复合膜的表面等离子共振（SPR）气体传感器。研究了在近红外波段对气体的表面等离子体共振光谱特性。仿真计算Kretschmann棱镜耦合的四层结构模型的共振光谱强度与银膜厚度,二氧化钛厚度和棱镜材料的关系,优化了Ag和TiO₂层的厚度以获得最大灵敏度,得到的最佳膜厚是45 nm Ag和110 nm TiO₂。Ag/TiO₂薄膜设计为可更换的一次性气敏膜,采用蒸镀和溅射方法镀膜,制备成本文所使用的 SPR传感器。利用Ag/TiO₂薄膜在复合界面产生SP共振光谱的移动,对气体进行测试。采用Kretschmann棱镜耦合结构的光谱波长检测实验系统。固定光源和入射角,测量波长的偏移量。宽光源（波长范围：1 462～1 662 nm）通过环形器、准直器,照射到棱镜和可更换的Ag/TiO₂敏感膜,经全反射(TIR)后,再由高反射镜反射回传感膜,并以相同的TIR角和光路再次反射回到准直器,从而被光谱仪检测。实验结果表明,Ag/TiO₂复合膜可以调谐共振波长到1 550 nm近红外波段,增强该传感器的光谱灵敏度,低浓度（14.7%～25%）氢气下的灵敏度可达-8.305 nm·%-1。并且可通过更换气敏膜检测不同的气体,增加生物相容性和气体传感能力。