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.     

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。      

热环境下壁板非线性颤振分析

基于一阶活塞气动力理论,采用Von Karman大变形应变-位移关系建立了无限展长壁板热环境下颤振方程,采用伽辽金方法对方程进行离散处理.取温度为分叉参数,研究壁板颤振时的分叉及混沌等复杂动力学特性.结果表明:温度载荷降低了系统的颤振临界动压,改变了颤振特性.在整个分岔参数范围内,系统呈现出较为复杂的变化,包括衰减振动、极限环振动、拟周期振动和混沌型振动.当考虑材料热效应时,系统的颤振动压将进一步降低,其响应也表现出更为丰富的非线性动态力学行为.     

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.      

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。     

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.     

翼型颤振压电俘能器的输出特性研究

压电俘能器能够为自然界中低功率的微机电系统持续供能. 为了模拟机翼的沉浮?俯仰二自由度运动和有效俘获气动弹性振动能量, 本文提出一种新颖的翼型颤振压电俘能器. 基于非定常气动力模型, 推导翼型颤振压电俘能器流?固?电耦合场的数学模型. 建立有限元模型, 模拟机翼的沉浮?俯仰二自由度运动, 获得机翼附近的涡旋脱落和流场特性. 搭建风洞实验系统, 制作压电俘能器样机. 利用实验验证理论和仿真模型的正确性, 仿真分析压电俘能器结构参数对其气动弹性振动响应和俘获性能的影响. 结果表明: 理论分析、仿真模拟和实验研究获得的输出电压具有较好的一致性, 验证建立数学和仿真模型的正确性. 仿真分析获得机翼附近的压力场变化云图, 表明交替的压力差驱动机翼发生二自由度沉浮?俯仰运动. 当风速超过颤振起始速度时, 压电俘能器发生颤振, 并表现为极限环振荡. 当偏心距为0.3和风速为16 m/s时, 可获得最大输出电压为17.88 V和输出功率为1.278 mW. 功率密度为7.99 mW/cm3, 相比较于其他压电俘能器, 能实现优越的俘获性能. 研究结果对设计更高效的翼型颤振压电俘能器提供重要的指导意义.      

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.     

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。     

CHAOTIC MOTIONS AND LIMIT CYCLE FLUTTER OF TWO-DIMENSIONAL WING IN SUPERSONIC FLOW

Based on the piston theory of supersonic flow and the energy method, the flutter motion equations of a two-dimensional wing with cubic stiffness in the pitching direction are established. The aeroelastic system contains both structural and aerodynamic nonlinearities. Hopf bifurcation theory is used to analyze the flutter speed of the system. The effects of system parameters on the flutter speed are studied. The 4th order Runge-Kutta method is used to calculate the stable limit cycle responses and chaotic motions of the aeroelastic system. Results show that the number and the stability of equilibrium points of the system vary with the increase of flow speed. Besides the simple limit cycle response of period 1, there are also period-doubling responses and chaotic motions in the flutter system. The route leading to chaos in the aeroelastic model used here is the period-doubling bifurcation. The chaotic motions in the system occur only when the flow speed is higher than the linear divergent speed and the initial condition is very small. Moreover, the flow speed regions in which the system behaves chaos axe very narrow.     

热激励器对超声速圆管射流的控制机理

采用大涡模拟方法研究了热激励器对马赫1.3 超声速圆管射流涡结构的影响, 采用加入净热源的方法模拟了热激励器的热效应, 分析了不同激励模态(m =±1 和m =±4) 的降噪和增加射流掺混的效果. 研究发现: (1)射流在受到激励作用时, 产生了更大的径向和周向速度扰动, 这有利于流向涡的形成, m =±1 激励模态下流向涡的发展更快, 特别是在摆动面上会有更大的增长速度; (2) 气动噪声分布的频带很宽, 激励作用对抑制高频气动噪声有较强的作用; (3) 对于在喷管壁面处产生的固壁噪声, m =±4 模态下的激励作用一定程度上加强了固壁噪声.      

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.     

用微分求积方法计算二维薄板在超音速流中的非线性颤振

采用了一种微分求积方法将二维薄板在超音速气流作用下的非线性动力学方程,并用Runge-Kutta数值方法进行了计算.为验证微分求积方法的结果,与伽辽金方法计算结果进行了比较,取得了一致的结果.微分求积法的计算结果用分叉图、相平面、时域曲线以及功率谱进行了描述,结果表明在特定的参数区间存在混沌运动,而通向混沌的道路是经过一系列周期倍化分叉产生的.     

斜梁在热状态下非线性振动分岔

利用Ｇａｌｅｒｋｉｎ原理及Ｍｅｌｎｉｋｏｖ函数法研究了斜梁在热状态下的非线性振动分岔,并讨论分析了温度、长高比、倾斜角对斜梁发生混沌运动区域的影响．     

牛角芯棒热推弯管成形过程受力变形特点

通过实验研究分析了牛角芯棒热推弯管成形过程瞬时应力、应变状态及其演化过程，阐明了弯管成形时的受力、变形特点，为牛角芯棒热推弯管成形过程塑性分析奠定了基础．     

在超声速流动中激波与边界层的干扰特性

激波与物面边界层的干扰涉及可压缩流动的稳定性、转捩、分离等问题,直接影响到飞行器的阻力、表面热防护和飞行性能等工程技术问题。首先总结了前人对于激波与边界层的干扰所做的工作,之后重点研究和对比分析了超声速与跨声速流动中,正激波、斜激波以及头部激波对于飞行器层流和湍流边界层的干扰影响。激波强度的不同对边界层干扰作用不同,在强干扰情况下将会引起边界层分离和翼型失速。     

湍流运动与非线性科学理论

本文较系统地介绍了近３０年来非线性科学理论的发展对湍流运动研究的贡献．它所涵盖的内容涉及到了当前非线性科学理论的大部分热点．从这里,可以隐约地看到一个正在形成中的湍流运动新理论的框架．      

空气中平面激波同圆柱的非定常干涉

平面激波在圆柱上的反射与绕射是目前国内外研究激波非线性复杂现象的典型课題。近年来,Takayama(1987)在入射激波马赫数M_i=1.3及2.6的条件下,得到了在圆柱周围的激波绕射与反射的光测实验结果。众所周知,激波在圆柱上的反射与绕射是一非定常现象,为了了解和分析整个非定常过程的发展和变化,应得到圆柱后较远区域的结果。本文利用两次曝光全息激光干涉仪不仅得到了圆柱周围的波系图案,而且也得到了激波脱离圆柱后驻点后约10倍圆柱直径的范围内的流动形态。同时也给出了不同M_i条件下的三波点轨迹和入射激波与反射激波之间夹角ω随距离变化的实验结果。