基于高阶谐波平衡的跨声速颤振高效预测方法

跨声速流场激波及其诱导的附面层分离等非线性因素导致跨声速颤振边界很难被准确预测,尤其是目前工程常用的偶极子格网法,在跨声速时该方法的预测精度大幅下降。在雷诺平均Navier-Stokes方程流场求解器的框架内,利用结构模态建立广义结构运动方程,利用径向基函数建立模态振型的插值方法,结合径向基函数和无限插值两种网格变形方法的优点实现高效高鲁棒性网格变形方法,从而实现颤振时间推进分析流程,利用国际颤振标模AGARD445.6机翼验证程序在跨声速颤振边界预测中的可靠性。然而,时域方法在气动/结构反复迭代,需要耗费大量的计算资源和时间。为了提高颤振预测效率,基于高阶谐波平衡（HOHB）方法快速获得广义力影响系数矩阵,利用该矩阵建立频域模态位移和气动力之间的关系,实现高效颤振频域分析方法。通过二维翼型和三维机翼算例进行验证,结果表明：在不对计算精度产生明显影响的前提下,HOHB方法能够提高颤振预测效率约6倍。     

基于欧拉方程的机翼跨音速颤振的频域计算

机翼跨音速颤振的频域计算方法是以给定机翼模态分布下机翼上各点的模态值作为运动幅值，以三维非定常Euler方程为控制方程，采用有限体积法和双时间推进，求解三维机翼简谐运动下的非定常气动力。所求得的气动力作为已知值运用于颤振方程，利用v-g法进行求解。对得到的一系列的阻尼、速度和频率进行了线性插值，从而得到颤振速度和颤振频率。     

基于谐波平衡法和 V-g 法的高效颤振预测分析

提出了一种高效的颤振预测分析方法,将之应用于跨声速颤振边界分析及结构参数影响研究中。本方法基于频域颤振分析 V-g 方法,为气弹系统提供一定的人工阻尼使之保持简谐运动状态,从而将结构动力学方程转换到频域内。然后通过高效的谐波平衡法得到一系列简谐运动频率下的气动力描述函数矩阵,结合频域结构方程,将气弹系统的稳定性问题转化为广义特征值求解。结果表明：本方法计算得到的颤振边界与高精度的时间推进方法非常吻合,分析效率有了明显的提升,而且当结构参数发生变化后,只需进行若干次广义特征值求解即可得到新的颤振边界,无需像时间推进方法一样开展大量的气动/结构耦合数值模拟。     

亚音速飞行的某型导弹舵面颤振特性研究

颤振特性研究已广泛应用于飞行器设计中。在导弹飞行中,容易发生颤振的部位是舵面与舵机的结合处。使用ANSYS有限元分析软件建立了某型导弹舵面的动力学有限元模型,并应用Block Lanczons求解器对其进行固有模态分析。在导弹亚音速飞行条件下,采用片条理论计算模拟舵面变形诱导的气动力,再将颤振方程转换到以各阶模态振型为基的模态空间上,得到在模态空间下简化的舵面颤振方程。最后应用MATLAB软件编制程序,用V-g法求解舵面颤振方程。对其他战术导弹舵翼面的设计分析具有一定的参考意义。     

基于特征截面法的协调叶片颤振分析

该文利用特征截面法,以NASA67转子叶片为例,把三维叶片模型分别简化为单自由度和双自由度模型,然后把三维叶片的气动力、位移、速度插值到特征截面上,把气动载荷表示为截面位移、速度等参数的函数,通过求解特征截面的振动方程来获得特征值,从而来考察系统的颤振稳定性.     

具有颤振约束的结构优化计算

为了提高新产品设计水平,我们编制了具有颤振约束的结构优化计算程序。主要内容包括:柔度系数插值、自振计算、非定常气动力计算、颤振方程求解和优化准则。在计算方法上,本程序作了如下改进:自振计算采用L_R型方法;对非定常气动力计算中与型态有关的部分采用预先存储的办法;颤振计算采用零阻尼插值等。从而大大地提高了本程序的计算速度。在709计算机上,利用本程序计算一个颤振点,仅需4分钟。我们用本程序对某产品进行了试算,结果表明,本程序是可靠的。     

平尾攻角对T型尾翼颤振特性的影响分析方法

由于常规偶格法颤振分析忽略了对T型尾翼颤振特性有影响的平尾静升力、平尾攻角等因素,因此不能精确预估T型尾翼的颤振特性。采用两种分析方法对T尾颤振进行了分析:一种采用亚声速偶极子网格法和片条理论相结合进行非定常气动力的计算,并采用p-k法进行颤振方程求解;另一种为ZTAIC方法,采用跨声速等效片条理论来计算非定常气动力,颤振求解采用g法。对两种方法计算得到的随平尾攻角变化的结果与试验进行了对比,表明两种方法都可以有效的考虑对T尾颤振有影响的因素,并能获得可信的结果。     

模态跟踪技术在颤振计算中的应用

以p-k法为基础，在特征值选取过程中，采用了多点预测方法及优化选择方法进行模态跟踪，有效解决了模态之间的窜支问题。介绍了基于模态跟踪技术的防窜支颤振计算方法；编制了防窜支p-k法颤振计算程序；对某工程实例，分别使用该计算程序与MSC．Nastran软件进行计算，经结果对比分析，证明该方法能有效解决窜支问题。     

大攻角机翼非线性颤振分析方法

 本文提出了一种计算方法分析大攻角、带分离涡机翼的非线性颤振特性。在机翼变形与广义气动力之间建立一种描述函数关系,利用传统v-g法对机翼运动方程进行求解。此外,还发展了一种迭代运算过程,使得输入的振幅幅值比例调整到与求解颤振方程所得到的比例相协调。计算结果表明本文方法与实验是一致的。     

不同气流偏角下的壁板热颤振分析及多目标优化设计

 研究了考虑热效应的不同气流偏角下的壁板颤振问题及其多目标优化设计。采用考虑气流偏角影响的一阶活塞气动力、Von-Karmon大变形理论和准定常热应力理论建立了复合材料壁板热颤振方程。利用模拟退火算法,对不同温度场下的偏航壁板颤振速度进行计算。以偏航壁板热颤振速度和壁板重量为多目标函数,在不发生热屈曲的条件下进行优化设计。结果显示：温升使偏航壁板颤振发生“跳跃”现象,对应的气流偏角发生变化;当壁板热颤振模态不变时,偏航壁板颤振速度随温升呈下降趋势,两者呈线性关系;而当热颤振模态发生变化,即偏航壁板颤振发生“跳跃”现象时,偏航壁板颤振速度随温升先升高而后降低,两者呈非线性关系;Pareto解对应的多目标函数之间呈线性关系。     

基于多重网格方法的跨声速颤振数值模拟研究

使用多重网格的方法对二维翼型和三维机翼的跨声速颤振进行了数值求解.流场控制方程为N-S方程,湍流模型采用SA模型网格.计算网格采用结构网格,空间离散采用中心格式,使用双时间法进行时间推进.流场与结构之间的数据通过径向基函数(RBF)插值方法进行交换.通过耦合求解流场控制方程和结构运动方程得到Isogai(case A)机翼模型和Agard445.6机翼的跨声速颤振边界.通过与使用单重网格时得到的结果相比较得出,多重网格方法能够节省计算时间,提高颤振分析计算效率.     

方向舵蒙皮的壁板颤振分析

针对某飞机出现的方向舵蒙皮壁板颤振故障引发的振动疲劳裂纹问题，进行了相关的分析计算和修改方案。利用MSC．NASTRAN软件，建立了计算壁板颤振的有限元模型，取前15阶固有振动模态构建模态坐标系下的颤振方程。选用ZONA51超声速气动力计算程序分析壁板的气动力，采用空气密度折半的方法来模拟壁板单面承受气动力的情况。计算结果表明，方向舵蒙皮发生了壁板颤振。通过对方向舵蒙皮结构修改方案的进一步分析，表明修改方案能够满足壁板防颤振设计的要求，并且具有相当大的安全裕量。     

超声速气流中平板的颤振分析

对超声速气流作用下的矩形平板进行了颤振分析,采用一阶活塞理论计算准定常气动力,利用弹性力学理论和结构动力学理论建立了平板的运动平衡方程。采用梁模态构造矩形平板的近似模态函数。运用MATLAB软件编程画出平板在不同参数下的有关图形,研究了这些参数变化对平板稳定性的影响规律。分析结果可知,结构的所有模态中只有部分模态与颤振发生直接有关。这些模态是成对出现的,并且只有特定的两个模态频率重合才能发生颤振。     

采用乘性速压摄动的频域颤振预测方法

 在鲁棒颤振分析方法基础上,提出一种乘性速压摄动表达式,使得颤振系统成为不确定性系统,并直接应用简谐气动力建立其μ框架,从而可以通过频域μ分析预测颤振临界点。导出了判定颤振临界点的μ极值条件,并给出其算法实现。该方法属于频域方法,在理论上具有良好的一致性;且无需求解颤振特征值,从根本上避免了经典的颤振分析方法中可能出现的“窜支”问题。计算结果表明,该方法与p-k法所得结果精度相当,适用于工程颤振分析。     

跨声速颤振计算方法研究

采用改进的弹簧近似方法,以ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)描述的Euler方程为控制方程,耦合结构运动方程,计算了Isogai机翼模型的颤振边界。气动力求解采用双时间推进,外时间为物理时间,与结构运动方程同步;结构运动方程求解采用Rayleigh-Ritz方法,时间推进也采用双时间法,节省了大量计算时间。研究表明,计算结果与参考文献提供的结果吻合良好,证明了所提出的跨声速颤振计算方法的准确性。     

基于功能原理的颤振模态参与度分析方法

颤振边界与颤振耦合机理对飞行器设计与颤振试验设计有着重要意义。模态坐标下的颤振计算通过各阶广义坐标的变化特性来确定颤振边界，并对颤振耦合机理进行分析。然而这常常依赖设计人员的工程经验，难以保证判别标准量化统一。基于功能原理提出了一种新的颤振模态参与度分析方法，通过广义坐标下广义气动力做功的能量累积，实现颤振模态参与度分析。分别采用频域方法与CFD/CSD方法对AGARD445.6标模进行颤振计算，验证了所提模态参与度分析方法的正确性。随后针对双体飞机颤振计算中发现的“漂移频率”现象，使用所提方法进行了解释，凸显了方法的优势。综合表明，所提模态参与度分析方法较好地反映了颤振耦合机理，具有指标正确可靠、结果归一化强、物理意义明确、适用于复杂结构复杂模态的特点。     

高速颤振模型设计中颤振主要模态的判断

颤振模型设计时难以实现完全的动力学相似,需要对颤振主要模态进行合理选择。采用数值分析方法,对颤振模型设计时主要模态的选取问题进行研究。通过各阶模态振型下气动刚度系数的比较、指定运动形式下广义非定常气动力的计算和不同模态截断下颤振结果的收敛特性分析,研究了颤振分析时不同模态运动之间的相互影响,对模态运动引起的气动力和颤振特性变化进行评估。以高超翼面模型为研究对象的数值算例结果表明,几种分析方法所判断的颤振主要模态基本一致。其中基于振型的广义气动刚度系数参数,避免了非定常气动力的计算,可作为颤振模型设计或颤振分析时主要模态选取的快速判断方法。     

基于CFD/CSD耦合的叶轮机叶片失速颤振计算

为了研究叶轮机叶片的失速颤振特性,发展了一种计算流体力学与计算结构力学(CFD/CSD)时域耦合方法。该方法通过每一物理时刻CFD和CSD的循环迭代实现了耦合计算。在CFD分析中,采用鲁棒性较好的空间离散格式AUSM+-UP,并基于延迟脱体涡模型(DDES)模拟了带分离流动。在结构分析中,通过模态法构建了旋转叶片动力学方程并运用杂交多步方法进行求解。以孤立转子Rotor37为例,计算了不同工况下流场总体与细节参数,与实验结果的对比验证了CFD算法的精度。对某转子叶片进行了颤振特性研究,计算所得的广义位移时间响应曲线表明该叶片在近失速工况下会发生失速颤振,其表现形式为一阶弯曲模态发散且各阶模态之间不耦合。分析表明,流场不稳定和非定常效应是引起失速颤振的关键因素,同时折合频率的降低也会导致原本气动弹性稳定的叶片发生失速颤振。     

平尾上反角和静升力对T尾颤振的影响

T尾颤振分析在计算非定常气动力时要计及平尾上反角和静升力等参数的影响。基于片条理论计算由静升力引起的附加非定常气动力，将其引入到用MSC／NASTRAN常规T尾颤振计算得到的广义气动力当中，再用PK法求解T尾颤振，从而建立T尾的颤振工程计算方法。     

颤振边界高效精确预测分析

高效精确地确定多种飞机构型的颤振边界在飞机设计过程中具有重要意义。为了提高计算效率和计算结果的准确性,针对亚声速和跨声速两种马赫数区域,提出分别采用线性和非线性方法进行非定常气动力分析。非线性分析在引入精确的定常气动力的基础上,采用高效率跨声速小扰动方程进行求解;颤振求解统一采用g 法。对大型飞机的梁架—减缩刚度组合模型的空机及三种典型燃油构型进行涵盖飞行包线的全马赫数变高度颤振分析,结果表明：四种构型的颤振边界与颤振试飞边界一致,与其他分析方法相比,效率有明显提高,尤其是对多种飞机构型能够高效地获得准确的颤振边界,即说明本文采用的方法是目前适用于工程上的一种高效精确的预测大型飞机颤振边界的方法。