考虑热效应的气动伺服弹性分析方法研究

高速飞行器气动加热效应会影响飞行器结构动力学特性,从而影响飞行器气动伺服弹性(ASE)稳定性,这就是热气动伺服弹性问题。在考虑热效应的飞行器动力学特性分析的基础上,结合非定常气动力分析,提出了一种考虑气动加热效应的飞行器ASE分析方法。结合工程算例,验证了该方法的有效性,并研究了热效应对飞行器ASE稳定性的影响。最后,对飞行器热气动伺服弹性设计提出了一些建议。     

双圆柱体结构的热耦合微分方程及其有限元解

针对物体的热耦合问题,给出了内外形式的双圆柱体结构的热耦合分析的基本微分方程,提出了采用有限元进行求解的方法,并给出了具体算例.热耦合是一个复杂的多元微分方程的求解问题.求解得知,热应力分布情况不仅与几何形状有关,也与热载荷与材料物理特性有关,在一定温度变化范围内,物体由于温度变化所产生的等效应力会随温度呈近似线性变化.此外,结构几何尺寸对应力分布变化的影响大于对温度分布变化的影响.     

轻质热防护系统波纹夹芯结构热力耦合分析

高超声速飞行器在出入大气层或持续在空间飞行时,将遭受严苛的气动加热载荷．对热防护系统进行传热分析是进行热力耦合分析的基础,而温度分布的特点直接影响到波纹夹芯结构的热应力等问题．首先对一体化热防护系统（integrated thermal protection system, ITPS）进行隔热性能分析,得到整个结构的温度场;然后采用顺序耦合的数值方法,模拟分析ITPS波纹夹芯结构单胞的热力耦合性能,给出波纹夹芯结构在静力载荷以及热力耦合载荷条件下的应力场、位移场,并对计算结果进行了讨论．结果表明波纹夹芯结构在初始尺寸及约束条件下,只满足在高温热流作用下飞行器低压区使用,而当气动压力大于等于15 000 Pa时,结构将发生破坏．     

Influences of Attack Angles on Aerodynamic Derivatives and Flutter Characteristics of Flat Box Girders北大核心CSCD

以南京第四长江大桥扁平箱梁为研究对象,通过节段模型自由振动风洞试验详细测试了模型在不同风攻角下的颤振响应,探讨了系统非稳态及稳态临界振幅随风速的演化规律.首先,基于颤振响应振幅包络,结合Hilbert变换,识别了系统振幅依存的模态阻尼,并初步阐释了颤振形态随风攻角转变的机理.其次,提取了系统在不同风攻角下的模态参数,基于双模态耦合闭合解法,识别了断面在不同风攻角下的非线性颤振导数,研究了关键颤振导数振幅依存性随风攻角变化的规律及对断面颤振形态和特性的潜在影响.最后,通过逐项拆解模态阻尼,深入剖析了风攻角对非耦合及耦合气动阻尼的影响,并阐明了分项阻尼导致系统颤振性能差异性的动力学机理.     

飞机操纵面间隙非线性对颤振特性的影响

针对含操纵系统间隙的飞机操纵面进行了振动及颤振特性研究。在飞机GVT试验中,对含间隙的副翼采用渐进加力和施加预载两种方式进行旋转模态测试;然后采用等效线性化方法对试验结果进行模拟,并利用Zaero软件分析其颤振特性。研究结果表明GVT结果与FEM模型分析有较好的一致性,由于间隙非线性的存在,导致副翼旋转频率降低,并且在分析颤振特性时发现预载荷对颤振速度有很大影响。     

大气制动期间探测器的气动特性和轨道计算

以NASA火星全球勘测（MGS）号探测器作为大气制动计算模型,应用DSMC方法模拟了探测器在大气制动期间的稀薄气体动力学特性,分析了不同来流密度情况下探测器的流场特性、气动特性的变化情况以及气体动力学系数的变化关系．并提出了气动力-气动热-轨道一体化计算模型,利用DSMC模拟技术以及经典动力学理论对大气制动轨道变化进行了计算和分析．研究结果表明:行星大气密度、探测器俯仰角、偏航角的变化对探测器的气动特性有重要影响,计算结果与文献中的结果表现出很好的一致性;气动力-气动热-轨道一体化计算可以模拟大气制动过程,模拟所得到的大气制动轨迹反映出较好的制动效果．     

机床结构刚度非线性条件下动态切削过程的定性分析

本文用定性分析的方法,研究了切削过程中在机床结构刚度非线性条件下速度型颤振的动态稳定性以及自激周期振动等问题。文中指出,对于速度型颤振,其动态稳定性主要取决于切削力而与结构刚度非线性特性元关,当动态切削过程为不稳定时,机床振动将出现稳定的自激极限环型周期振动。     

圆板在局部Gauss温度场作用下的响应分析

基于薄板热弯曲理论,推导了圆板在Gauss(高斯)温度场作用下的挠度和热应力解析表达式,分析了边界条件和局部温度参数对圆板挠度和热应力的影响,为局部温度变化薄板结构的热力学分析提供理论依据.研究结果表明:圆板中心处的挠度和压应力有最大值;在热影响区内,圆板内一点的挠度随着该点到板中心距离的增大呈Gauss型减小趋势;在热影响区外,圆板挠度的变化趋势与圆板边界约束形式和辐照因子有关,辐照因子越大,边界简支圆板挠度越先呈线性减小趋势;圆板挠度的解析解与有限元解一致.在热影响区内,圆板内一点的热应力随着该点到板中心距离的增大呈Gauss型减小趋势,两种边界约束圆板的热应力变化趋势相似;在热影响区外,圆板热应力的变化趋势与圆板边界约束形式和辐照因子有关.     

任意梯度分布功能梯度圆环的热弹性分析

对沿径向任意变化的材料参数的功能梯度圆环进行了热弹性分析.与以前关于该问题的分析不同,既不需要预先给定具体的梯度变化形式,也不需要对结构进行细分.给出一种新的有效解法将问题转换为求解Fredholm积分方程,从而通过Fredholm积分方程的解给出热应力和位移的分布情况.最后通过算例分析了内外表面受不同温度作用时,材料参数呈现梯度变化对圆环的应力和位移变化的影响,计算结果表明某些特定的材料梯度可有效缓解圆环内的热应力分布.该文得到的结果对功能梯度圆环在结构安全设计方面有重要的理论指导意义.     

大型近海水平轴风力机转轮的空气动力学性能优化判据

以近海风能工程为研究目标,对具有不同特性参数（设计风速、叶尖线速度和转轮实度）的大容量（1～10 MW）风力机转轮的气动性能与几何特性进行分析与研究．首先提出大型机组转轮气动性能优化判据:在其直径最小的前提下具有尽可能高的年可用风能特性因数以及与之相关的风能利用系数,因而可捕获最多风能,使年发电量最大．接着给出影响它的几个主要气动参数,如转轮设计风速、叶尖线速度以及转轮实度,并分析风力机在近海气象条件下运转时上述两个气动指标随这些参数变化的规律．提供的气动分析方法及结果可作为大型近海风力机转轮气动性能的评价基础．     

柔性桥梁颤振导数间的相互关系的参数分析(Ⅰ)

在作者先前给出(徐旭,曹志远.柔长结构气固耦合的线性与非线性气动力学理论.应用数学和力学,2001,22(12):1299-1308.)的柔性结构半解析颤振导数的基础上,研究了桥梁颤振导数之间的内在联系和相互关系,并通过两个具体的桥梁颤振导数的测量试验数据,对其进行了分析验证.同时,也对颤振导数随着桥梁断面的气动中心、转速以及角度变化规律作了参数研究.数据分析的结果不仅验证了前文半解析颤振导数表达式的正确性,也进一步验证了半解析颤振导数之间存在一定的必然联系,同时也表明给出的半解析的颤振导数是适用于流线型断面的桥梁的.     

柔性桥梁颤振导数间的相互关系的参数分析(Ⅱ)

在作者先前(徐旭,曹志远.柔长结构气固耦合的线性与非线性气动力学理论.应用数学和力学,2001,22(12):1299-1308.)给出的柔性结构半解析颤振导数的基础上,研究了桥梁颤振导数之间的内在联系和相互关系,并通过两个具体的桥梁颤振导数测量试验数据进行了分析验证.同时,也对颤振导数随着桥梁断面的气动中心、转速以及角度变化规律作了参数研究.数据分析的结果不仅验证了前文半解析颤振导数表达式的正确性,也进一步验证了半解析颤振导数之间存在一定的必然联系,同时也表明其文中给出的半解析的颤振导数是适用于流线型断面的桥梁的.     

多物理场中不同结构特征FCI的力学行为分析

流道插件（FCI）是ITER中包层模块的重要部件,起到电绝缘和热绝缘的作用,FCI的力学行为是对复杂的磁-热-流-固多物理场共同作用的响应.将有限体积法和有限元方法相结合,对包层流道中的流场、温度场以及FCI的应力应变场进行求解,分析了磁场效应对结构的影响,以及不同FCI壁厚和间隙流宽度等结构特征对包层的影响.计算结果表明,强磁场虽然会产生较强的MHD效应,但可以降低第一壁温度和FCI结构热应力;较厚的FCI可以降低第一壁上的最高温度,但也会增加FCI上的温度梯度和热应力;而较宽的间隙有利于降低第一壁上的最高温度,但会增加FCI的最大Mises应力.     

热偶极子与圆形界面裂纹的作用

热偶极子由热源和热汇组成.应用解析延拓方法、广义Liouville 定理及Muskhelishvili 边值问题理论,研究了在热源偶极子作用下含圆形夹杂复合材料的界面裂纹问题.导出温度场和应力场之后,分析了温度场和夹杂对界面断裂的效应.作为实例,针对若干种组合材料及热偶极子处于不同位置,给出了界面裂纹热应力强度因子的数值变化曲线.结果表明,界面裂纹特性取决于材料的弹性常数和热学性能及偶极子的情况.     

多体气动弹性系统超声速颤振分析

对一类多体气动弹性系统超声速颤振问题进行研究.分别采用多体动力学理论、活塞理论建立了弹性结构系统的动力学模型与超声速非定常气动力模型,得到了由微分代数方程表示的多体系统气动弹性动力学方程.通过数值求解微分代数方程的特征值问题,研究了多体系统在平衡位置小扰动运动的稳定性,完成了多体气动弹性系统超声速颤振分析.应用该方法研究了板状翼面及含操纵面翼面的超声速颤振问题,并得到了操纵面处于不同位置时翼面的颤振速度.结果表明,所发展的多体气动弹性系统超声速颤振分析方法,适用于由多个部件组成的工程结构颤振分析.     

颤振分析中的特征值排序问题

颤振分析中判断颤振临界速度的重要依据是系统V-g和V-f图,即系统特征值随参数的变化曲线.在几乎所有商用软件及自编程序的输出结果中,有时会出现所谓的"窜支"现象,这给颤振临界速度和颤振穿越分支及耦合形式的判断带来很大不便.通过隐函数定理可以证明,除重特征值点以外,系统特征值连续依赖于系统参数变化.依据多元向量值函数连续性,建立对特征值的排列算法,给出系统特征根轨迹的正确曲线,再输出V-g和V-f图数据,从而避免"窜支"现象.编制应用程序,通过几个典型算例对算法进行了验证.该工作能够有效简化颤振分析的后处理工作,提高分析效率.     

壁面效应对剪切稀化流体内气泡上浮特性的影响

数值研究了壁面效应对剪切稀化流体内气泡上浮运动特性的影响,气液两相的界面捕捉采用流体体积(VOF)法,剪切稀化流体流变特性和气液相间表面张力的计算分别采用Carreau模型和连续表面张力模型.详细研究了不同流变指数下,壁面效应对气泡形状、液相流场和气泡终端速度的影响.结果表明,强的壁面效应或弱的剪切稀化程度会限制气泡的变形和尾涡的形成,使气泡的终端速度减小;气泡终端速度最易受壁面效应的影响;强的壁面效应和强的剪切稀化程度会导致高剪切速率区域出现在壁面附近,引起壁面附近液相表观黏度大幅度的下降.     

基于球窝结构冷却通道的强化传热数值及实验研究

球窝作为一种小流阻的强化传热结构,在微型换热器中有较大的发展前景.该文采用实验与数值相结合的方法,研究层流条件下布置球窝结构的矩形通道内部的流动与换热特性,比较了不同球窝深度、不同Reynolds(雷诺)数对其强化换热特性的影响,并与光滑结构进行了对比.研究结果表明:随着Reynolds数的增加,换热效果逐渐增强.在3种Reynolds数(Re=500,1 000,1500)工况下,在球窝深度直径比在0.1~0.2之间时,球窝内部均存在流动分离且分离点位于球窝中心之前,球窝换热特性最好,与实验得出深度直径比为0.2时换热效果最好相吻合.在同一Reynolds数条件下,随着球窝深度的增加,其阻力特性逐渐降低.综合热特性随着Reynolds数的增大呈现下降趋势.     

有限厚度圆柱壳热冲击问题的广义热弹性解

针对包含有界边界的轴对称结构受热冲击作用的广义热弹性问题进行了研究分析.基于Lord-Shulman广义热弹性理论(L-S理论),构建了热冲击下有限厚度圆柱壳热弹性响应的广义热弹性模型.借助Laplace(拉普拉斯)变换技术以及Bessel函数的渐进特性,推导了温变载荷作用下,圆柱壳内部位移、温度以及应力场的解析表达式.该表达式不仅可以清楚地揭示热冲击下热波、热弹性波在壳体内部的传播、反射以及叠加的作用过程,更可准确地捕捉到热波、热弹性波波前位置处的阶跃现象,并对热冲击诱发的动态热应力峰值进行有效预测.     

表面效应对热电材料中纳米孔周围热应力的影响

基于完整Gurtin-Murdoch(G-M)低阶表面能模型，进一步探讨了纳米尺度下表面效应的影响.建立了合理考虑构型变化的应力边界条件，实现了研究尺度从宏观到微观的转变.利用复变函数理论和保角映射技术，构建了用于纳米尺度下的热-电-力理论框架模型，得到了热电基体中纳米孔周围热场、温度场以及应力场的半解析解.数值结果表明，相对于完整G-M模型，简化G-M模型(忽略孔洞构型变化的影响)往往会高估表面效应和远场热电载荷对热应力分布的影响.此外，表面效应的存在将在一定程度上缓解纳米孔周围的热应力集中.