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.     

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.     

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%.      

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.     

黏弹性阻尼作用下轴向运动Timoshenko梁振动特性的研究

黏弹性阻尼一直是轴向运动系统的研究热点之一.以往研究轴向运动系统大都没有考虑黏弹性阻尼的影响.但在工程实际中, 存在黏弹性阻尼的轴向运动体系更为普遍.本文研究了黏弹性阻尼作用下轴向运动Timoshenko梁的振动特性.首先, 采用广义Hamilton原理给出了轴向运动黏弹性Timoshenko梁的动力学方程组和相应的简支边界条件.其次, 应用直接多尺度法得到了轴速和相关参数的对应关系, 给出了前两阶固有频率和衰减系数在黏弹性作用下的近似解析解.最后, 采用微分求积法分析了在有无黏弹性作用下前两阶固有频率和衰减系数随轴速的变化; 给出了前两阶固有频率和衰减系数在黏弹性作用下的近似数值解, 验证了近似解析解的有效性.结果表明: 随着轴速的增大, 梁的固有频率逐渐减小.梁的固有频率和衰减系数随着黏弹性系数的增大而逐渐减小, 其中衰减系数与黏弹性系数成正比关系, 黏弹性系数对第一阶衰减系数和固有频率的影响很小, 对第二阶衰减系数和固有频率的影响较大.      

减阻杆气动阻尼研究

基于模态数据和准定常理论,建立了减阻盘-杆-后体这一弹性结构的气动阻尼分析方法;通过刚性模型的动导数风洞试验获得气动阻尼以验证方法可靠性后,计算分析了减阻杆结构在指定工况的气动阻尼特性. 结果表明: 所建方法可用于减阻杆系统的气动阻尼计算;计算工况的气动阻尼值均为正值,对减阻杆系统的振动起抑制作用;存在产生负气动阻尼的影响因素,各项因素对气动阻尼影响的量值有所不同,有待进一步研究.      

RESEARCH OF AERO-DAMPING FOR BLUNT WITH SPIKE

基于模态数据和准定常理论,建立了减阻盘-杆-后体这一弹性结构的气动阻尼分析方法;通过刚性模型的动导数风洞试验获得气动阻尼以验证方法可靠性后,计算分析了减阻杆结构在指定工况的气动阻尼特性. 结果表明： 所建方法可用于减阻杆系统的气动阻尼计算;计算工况的气动阻尼值均为正值,对减阻杆系统的振动起抑制作用;存在产生负气动阻尼的影响因素,各项因素对气动阻尼影响的量值有所不同,有待进一步研究.     

主动格栅紊流场对典型主梁颤振导数影响的研究

为研究紊流积分尺度对桥梁颤振导数的影响,选取了理想平板、流线型箱梁以及高宽比1∶6矩形断面三种气动外形渐变的典型断面,采用主动格栅模拟了二维大积分尺度紊流场,利用强迫振动装置测试了主动格栅紊流场中三种断面节段模型的颤振导数,并与均匀流场试验值进行了对比。试验结果表明,紊流积分尺度对颤振导数的影响随断面钝化逐渐减弱;主动格栅二维紊流对流线型断面颤振导数影响较小,无明显趋势性变化;对钝体矩形断面影响显著,并且随折减风速增加而加剧,其气动阻尼项导数由正向负衰减显著,有利于改善结构颤振性能。     

翼梢小翼高度影响综合研究

利用有限体积法离散求解雷诺平均Navier-Stokes方程以及气动和结构耦合计算了带2种不同类型翼梢小翼(融合式和鲨鳍式小翼)的翼身组合体构型.重点研究了小翼不同高度对飞机升阻比、机翼压力中心移动量、重量以及颤振特性的影响规律.研究结果表明,因小翼高度增加而带来的结构重量远远低于其有效载重的增量;因小翼高度增加而带来的颤振临界速度的降低在安全余量的范围内是可以调整的.因此,在设计小翼时与结构、重量和颤振的权衡中,建议高度的选择尽量优先满足纵向的升阻特性,以发挥其减阻潜力.     

套管-水泥浆系统流固耦合振动特性研究

已有文献在计算振动固井套管固有振动特性时,未充分考虑水泥浆和套管流固耦合的影响,难以准确地得出套管在水泥浆条件下的振动特性。本文进一步考虑了套管和水泥浆的耦合振动特性,基于Euler-Bernoulli梁柱理论及Hamilton变分原理推导了套管与水泥浆耦合振动控制方程,采用有限元方法计算了套管在水泥浆条件下的振动特性,综合分析了管内压力、水泥浆密度、套管长度、水泥浆阻尼等因素对耦合系统横向振动固有频率的影响。结果表明:套管-水泥浆系统的耦合特性不可忽略,随着水泥浆密度的增加,套管横向振动的固有频率降低;套管内流体压力、水泥浆的粘性阻尼和科氏阻尼对耦合系统的横向振动固有频率影响较小,可以忽略不计;随着套管长度的增加,套管横向振动固有频率减小。研究结果可为振动发生器的优化设计提供理论基础。     

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。     

三种典型轴向运动结构的振动特性对比

轴向运动结构的横向振动一直是动力学领域的研究热点之一.目前大多数的文献只涉及对一种模型的研究,而针对几种模型的对比分析较少.本文对3种典型轴向运动结构(Euler梁、窄板和对边简支对边自由的板)的振动特性进行了对比分析.针对工程中不同的结构参数,本文为其理论研究中选择更加合理的模型提供了参考.通过复模态方法求解了3种模型的控制方程,给出了其相应的固有频率及模态函数.对于板模型,同时考虑了其自由边界的两种刚体位移以及弯扭耦合振动3种情况.通过数值算例给出了3种模型的前四阶固有频率随轴速和长宽比的变化情况,并应用微分求积法对复模态方法得到的解析解进行验证.特别采用三维图的形式分析了不同的轴速、阻尼、刚度和长宽比等参数混合时对3种模型第一阶固有频率的影响,着重研究了窄板和梁的不同的长宽比和轴速混合时对两者的第一阶固有频率的相对误差的影响.结果表明:随着轴速的增大,3种模型的固有频率逐渐减小. 窄板是板的一种简化模型.在各参数值发生变化时,阻尼对第一阶固有频率的影响最小.长宽比很大,轴速很小或为零时,复杂模型可以简化为简单模型.      

三种典型轴向运动结构的振动特性对比

轴向运动结构的横向振动一直是动力学领域的研究热点之一.目前大多数的文献只涉及对一种模型的研究,而针对几种模型的对比分析较少.本文对3种典型轴向运动结构(Euler梁、窄板和对边简支对边自由的板)的振动特性进行了对比分析.针对工程中不同的结构参数,本文为其理论研究中选择更加合理的模型提供了参考.通过复模态方法求解了3种模型的控制方程,给出了其相应的固有频率及模态函数.对于板模型,同时考虑了其自由边界的两种刚体位移以及弯扭耦合振动3种情况.通过数值算例给出了3种模型的前四阶固有频率随轴速和长宽比的变化情况,并应用微分求积法对复模态方法得到的解析解进行验证.特别采用三维图的形式分析了不同的轴速、阻尼、刚度和长宽比等参数混合时对3种模型第一阶固有频率的影响,着重研究了窄板和梁的不同的长宽比和轴速混合时对两者的第一阶固有频率的相对误差的影响.结果表明:随着轴速的增大,3种模型的固有频率逐渐减小.窄板是板的一种简化模型.在各参数值发生变化时,阻尼对第一阶固有频率的影响最小.长宽比很大,轴速很小或为零时,复杂模型可以简化为简单模型.     

基于主动控制策略的机翼颤振特性模拟

航空航天飞行器舵翼类结构的气动颤振是一种灾难性的动力学行为.在基于偶极子理论的气动弹性动力学模型中,气动载荷可表达为基于结构动力学响应的一种状态反馈的闭环控制力,控制律取决于翼型的几何参数、材料参数、结构动力学特性以及来流速度等多种条件,通常需通过实际飞行或风洞实验进行辨识与检验.在实验室条件下,以系统动力学响应的模态特征等效为前提,提出了一种基于人工主动控制的方式进行气动载荷下舵翼类结构自激颤振的特征值跟踪策略.建立并讨论了等效系统的非自伴随动力学微分方程及其特征方程的求解过程,并与通用软件的计算结果进行了对比,二者具有较好的一致性.通过优化搜索分别获得了位移和速度的最优反馈点、最优作动点位置及最优反馈增益系数,经对比计算拟合得到风速–位移增益曲线和风速–速度增益曲线,从而实现了由单点反馈、单点作动的集中力的闭环控制等效系统的真实气动力分布控制.仿真算例表明,由此预示的实验过程无需辨识和重构非定常气动力的时域波形,无需其他干预即可实现地面模拟实验,主动控制的效果满足预期,初步实现了自激颤振的特征值跟踪,为进一步推动主动控制模拟实验及颤振参数辨识提供了基础.     

基于气动力辨识的ASE模型降阶研究

CFD/CSD耦合计算能够准确预测跨音速段飞行器弹性振动的非定常气动力, 但其带来的巨大 计算量及高阶维数不利于气动弹性系统的分析与综合. 针对于此,采用系统辨识及 均衡截断技术对高阶气动伺服弹性模型进行降阶处理,并利用所得到的低阶模型进行系统综 合：(1) 基于Volterra级数气动力辨识技术,得到非定常气动力的时域降阶模型(ROM), 耦合结构动力学模型及控制机构动力学模型获得气动伺服弹性(ASE)状态空间方 程;(2) 利用均衡截段法对时域ASE模型进行进一步降阶,得到能够较真实反映所关心频域内系统响应 的低阶ASE模型;(3) 针对建模误差和降阶误差存在造成的系统不确定性问题,结合降阶模型 采用混合灵敏度$H_{\infty}$控制方法设计颤振主动抑制鲁棒控制律,保证其作用 于真实系统的有效性;对控制器进行 均衡阶段降阶并保持其鲁棒性,得到低阶鲁棒的颤振抑制控制器. 最后利用典型的BACT模型 进行气动伺服弹性的降阶及主动颤振抑制控制,仿真结果表明,基于ROM建立的低阶气动弹 性模型能够较真实地反应系统的颤振特性;而基于截断后的降阶模型所设计的低阶鲁棒控制 器能够有效应用于存在不确定性摄动的实际系统,并将系统颤振速度提高36%.     

微梳齿谐振器故障的动态仿真

研究微梳齿谐振器运动中的故障问题,建立了微梳齿结构的三维动力学模型,其中采用Couette模型和Stokes模型相组合的空气阻尼模型;运用有限元方法,分别对带有点粘结、梁裂纹的微梳齿结构进行了动力学特性分析.结果表明:粘结故障使梳齿结构固有频率升高,振幅减小,灵敏度降低.裂纹使微机械结构的固有频率和灵敏度都降低.     

基于回传波射矩阵法的空间杆系结构固有特性及结构阻尼影响分析

基于三维杆系结构的回传波射矩阵理论分析了空间框架结构的固有特性.通过获得的确定结构固有频率的矩阵方程,针对一座二层含有完全铰接点和固定铰支座的空间杆系结构,利用频响函数曲线法和求根法两种方法计算了结构的固有频率,并给出了振型结果.与有限元分析软件ANSYS的计算结果比较,表明了本文模型的有效性和计算精度.同时,通过计算阐明了复刚度阻尼对结构共振频率的影响.结果表明,复刚度阻尼能引起结构共振频率的降低.     

大跨度悬索桥钢箱加劲梁中央开槽的颤振控制机理

针对近流线型的闭口钢箱梁这种大跨悬索桥常用的加劲梁断面形式,采用风洞试验与理论分析相结合的方法研究不同宽度中央开槽的颤振控制作用与颤振控制机理.通过对原型断面和5种槽宽开槽断面(开槽宽度分别为原型断面宽度的20%、40%、60%、80%和100%)的试验研究表明,适当宽度的中央开槽可以较大幅度的提高颤振临界风速,但槽宽并非越宽越好,而是存在一个"最优槽宽".采用二维三自由度耦合颤振分析方法从气动阻尼和颤振形态矢量两方面对中央开槽的颤振控制机理进行理论研究,结果表明,适当宽度的中央开槽可以改善气动阻尼的形成和发展规律,并提高颤振发生时竖弯自由度的参与程度和扭弯耦合程度,从而增强结构的颤振稳定性能.     

基于主动控制策略的机翼颤振特性模拟

航空航天飞行器舵翼类结构的气动颤振是一种灾难性的动力学行为.在基于偶极子理论的气动弹性动力学模型中,气动载荷可表达为基于结构动力学响应的一种状态反馈的闭环控制力,控制律取决于翼型的几何参数、材料参数、结构动力学特性以及来流速度等多种条件,通常需通过实际飞行或风洞实验进行辨识与检验.在实验室条件下,以系统动力学响应的模态特征等效为前提,提出了一种基于人工主动控制的方式进行气动载荷下舵翼类结构自激颤振的特征值跟踪策略.建立并讨论了等效系统的非自伴随动力学微分方程及其特征方程的求解过程,并与通用软件的计算结果进行了对比,二者具有较好的一致性.通过优化搜索分别获得了位移和速度的最优反馈点、最优作动点位置及最优反馈增益系数,经对比计算拟合得到风速-位移增益曲线和风速-速度增益曲线,从而实现了由单点反馈、单点作动的集中力的闭环控制等效系统的真实气动力分布控制.仿真算例表明,由此预示的实验过程无需辨识和重构非定常气动力的时域波形,无需其他干预即可实现地面模拟实验,主动控制的效果满足预期,初步实现了自激颤振的特征值跟踪,为进一步推动主动控制模拟实验及颤振参数辨识提供了基础.