基于流固耦合的斜激波冲击作用下曲壁板气动弹性分析

采用自主发展的双向流固耦合求解器,研究了斜激波冲击作用下曲壁板的气动弹性响应特性。曲壁板的几何非线性大变形运动方程采用有限差分法求解,流体控制方程基于有限体积法求解,双向流固耦合采用交错迭代算法。计算结果表明:当动压小于临界颤振动压时,曲壁板表现出静平衡状态,且随着动压的增大,壁板变形的非对称性越明显。当动压大于临界颤振动压时,壁板振动位移先增大后减小,最终达到稳定颤振状态,且该极限环颤振并不关于初始位置正负对称的。同时,随着动压的增大,壁板颤振的正向峰谷值、负向峰谷值和振幅均逐渐增大,颤振频率则逐渐减小。壁板振动响应规律并不随着壁板弯曲高度的改变而单调递增或递减,较小的弯曲高度可以降低壁板颤振临界动压值,但是当弯曲高度进一步增大后,由于气动非线性特性增强,准周期无规则运动状态被激发了出来,临界颤振动压迅速升高。     

声/热/静联合载荷下钛板结构响应特性研究

复杂耦合载荷环境是导致高速飞行器进气道等部件破坏的重要因素。为预测静力、噪声、热等联合载荷作用下进气道壁板结构的响应特性,进而指导其结构设计及试验,以四边简支典型钛合金壁板结构为研究对象,由薄板大挠度运动方程出发,结合有限元法计算得到钛合金板的热屈曲系数、热模态特性以及预应力作用下的模态特性,利用顺序耦合方法计算壁板的热声响应。利用Newmark时间积分方法对计算进行非线性处理,分析得到壁板中心处的频率响应特性,采用蒙特卡洛法生成时域随机载荷,在此基础上计算得到钛合金壁板在静力、热、噪声联合载荷下的时域响应特性曲线。结果表明:热声载荷作用下,四边简支钛合金壁板结构的临界屈曲温度较低,容易产生屈曲,屈曲后结构的模态和频率均发生改变,其热声响应呈现复杂的非线性特征,静力、热、噪声联合条件下,由于静力的刚度硬化/弱化效应,壁板的热声跳变持续时间较短,且较快进入后屈曲状态。     

粘弹壁板颤振的非线性动力特性

研究粘弹材料壁板在超声速气流作用下颤振时的分岔及混沌等复杂动力学特性。采用von Karman大变形理论及Kelvin粘弹阻尼模型建立壁板的动力学方程,通过线性活塞理论建立气动力模型。利用迦辽金法将壁板颤振模型转化为常微分方程组,并使用Gear的BDF方法进行数值求解。通过数值模拟研究了该系统在粘弹阻尼作用下的动力学行为以及粘弹阻尼的影响。计算结果表明,粘弹壁板颤振系统表现出丰富的动力学行为,其二次分岔特性很复杂。随着粘弹性阻尼的增大,系统的稳定解区域在减小,而静态屈曲解几乎不受影响,同时发现混沌运动区域也随着粘弹阻尼的增大而减小。     

热声载荷下薄壁结构振动响应试验验证与疲劳分析

由于热声环境下金属薄壁结构表现出复杂的大挠度强非线性振动响应特性,影响结构的疲劳性能与寿命，结合有限元法与降阶模态法对四边固支高温合金矩形薄壁结构的热声响应进行计算。结果研究发现:屈曲后结构出现跳变运动且应力循环呈三角状分布,热声载荷的相对强弱决定了跳变形式。采用改进雨流计数法、Morrow平均应力模型、Miner线性损伤累积理论计算热声疲劳寿命,屈曲前到临界屈曲时应力循环损伤量级显著增大,由10-5增大到10-4,寿命随温度增加呈先减小后增加趋势。开展薄壁结构热声试验,并将仿真计算结果与试验结果进行对比,结果表明结构的模态频率偏差不超过1Hz,动态应变响应结果的量值相当,验证了薄壁结构热声响应计算方法与模型的有效性。      

热声载荷作用下薄壁结构的非线性响应特性

 高速飞行器面临着严酷的高温强噪声环境。温度载荷不仅使结构产生热应力,还会改变材料的物性参数,这使得薄壁结构在宽频噪声激励下具有复杂的运动形式,表现出强非线性特性,严重影响了结构的疲劳寿命。针对热声载荷对结构非线性特性的影响,建立了热声载荷下的非线性大挠度偏微分控制方程,对偏微分方程使用Galerkin法得到了模态坐标下的常微分方程组。计算了四边简支矩形钛合金板在不同温度和声压级(SPL)组合下的动态响应,得到了典型的热声响应运动形式,包括屈曲前的线性随机振动、屈曲后的跳变运动和围绕一个平衡位置的随机振动。通过分析方程中的恢复力项和响应的功率谱密度(PSD)随着温度和SPL的变化规律,对热声响应的非线性特性进行了研究。研究结果表明,热载荷和声载荷对响应非线性特性的影响方式不同:热载荷改变结构刚度特性曲线的形状,以临界屈曲状态的刚度为参照,屈曲前降低结构刚度,屈曲后增加结构刚度;噪声载荷使得结构工作在刚度曲线的不同区域,以不受载荷时的结构刚度为对照,强噪声载荷引起的持续跳变使得结构工作在硬化区域,间歇跳变时结构工作在软化区域。     

高速流场中变刚度复合材料层合板颤振分析

变刚度复合材料层合板在高速流场中的颤振行为是设计中需要考虑的问题。本文研究了高速流场中的曲线纤维变刚度层合复合材料壁板非线性颤振响应,分析了边界条件和纤维方向对颤振特性的影响。利用von-Karman大变形应变-位移关系,采用气动力活塞理论,根据虚功原理和有限元法建立变刚度复合材料壁板颤振的气动弹性力学模型,采用Newmark法对壁板的颤振方程求解。给出了不同边界条件和纤维方向条件下层合复合材料壁板的颤振特性。计算结果表明：随着纤维在板中心处或在边界±a/2处与x方向夹角（T₀或T₁）的增大,颤振临界动压减小;相同动压下,随着T₀或T₁的增大,极限环振幅增大。研究表明采用曲线纤维进一步提高了复合材料层合板的可设计性,通过调整曲线纤维路径可以改变复合材料壁板的颤振特性。     

热声载荷作用下薄壁结构非线性响应分析和试验验证

针对热声载荷作用下薄壁结构大挠度非线性响应问题，开展了固支约束金属薄壁板结构热声激励试验及数值模拟分析。通过计算结果与试验结果对比，表明两者结果存在一致性，进而验证了薄壁板在热声载荷作用下动态响应计算方法和数值模型的有效性。在此基础上，针对加筋板结构完成了多种热声载荷组合作用下的动力学响应计算，获得了时域位移响应。重点对该结构在后屈曲状态下的3种典型振动形式进行分析，总结出热载荷与声载荷之间的相对强度决定了板的不同跳变形式。采用统计分析方法建立了位移响应的概率谱密度函数（PDF）并绘图，清楚地显示了后屈曲板的PDF表现出双峰现象。使用功率谱密度（PSD）函数分析了响应频率和峰值随着温度升高的变化，并确定了板的软化和硬化区域。总结了屈曲前/后结构特定区域拉应力和压应力的变化规律，并阐述了造成这种变化的原因。本文工作可对热声载荷作用下薄壁结构响应分析和动强度设计提供参考依据。     

壁板的非线性热稳定分析

<正>壁板热颤振~([1])一般指在超声速气流中,由于惯性力、弹性力、流经壁板表面气流引发的气动力和摩擦产生的热应力耦合作用下壁板产生的一种自激振动现象。在实际研究中发现,当受热壁板发生颤振时,壁板横向振动的振幅大小与壁板的厚度数量级相当,此时属于大变形,壁板的面内张力与壁板的横向位移出现了一种非线性的关系。过去几十年,对于受热板的非线性振动分析受到了很     

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。     

声载荷作用下高温薄壁结构响应特性分析

先进的航空航天器表面结构暴露在严酷的工作载荷环境中,包括复杂的机械力载荷、压力载荷、声载荷和热载荷等,航空航天器表面结构可简化为薄壁结构,在复合载荷作用下结构以非线性方式响应,呈现出复杂的响应特性。首先以热弹性力学、板壳理论及结构稳定性原理为基础,建立热及噪声载荷联合作用下薄壁板运动模态方程,讨论了薄壁结构跳变响应的机理,进而运用等价线性化方法求解模态方程,在此基础上分析了热及噪声载荷对薄壁结构屈曲的影响,进而探讨了热及噪声载荷作用下薄壁结构的非线性响应统计特性。计算了四边简支高温钛合金薄板在声载荷下四个关键点处的均方应变,为进一步开展薄壁结构声疲劳寿命估算和强度设计奠定了基础。     

超声速气流中受热壁板的二次失稳型颤振

研究了超声速气流中受热壁板的非线性气动弹性响应,发现了一种新的动态失稳现象——二次失稳型颤振。基于von Karman非线性应变-位移关系、Reissner-Mindlin板理论和一阶活塞理论建立超声速气流中三维壁板的有限元模型。通过数值算例,研究了超声速气流中受热壁板发生二次失稳型颤振的条件,并运用非线性振动理论分析了二次失稳型颤振的机理。研究表明,超声速气流中受热壁板在平衡态的稳定性未发生变化时,也会因系统参数的变化引起气动弹性响应性质的突变,导致壁板的二次失稳型颤振。二次失稳型颤振能否发生不仅受到气流速压和壁板温升的影响,而且还与初始扰动有关。当扰动引起壁板的初始变形较小时,不能激发出二次失稳型颤振,壁板的气动弹性响应最终收敛到屈曲平衡态。应用二次失稳型颤振理论和分析方法,确定了前人给出的一个金属壁板模型的热颤振边界的风洞试验结果,而且计算结果与试验结果符合良好,从而对这一壁板热颤振现象的风洞试验结果作出了较合理的理论解释。     

Aeroelastic stability analysis of heated flexible panel subjected to an oblique shock

The critical conditions for aeroelastic stability and the stability boundaries of a flexible two-dimensional heated panel subjected to an impinging oblique shock are considered using theoretical analysis and numerical computations, respectively. The von-Karman large deflection theory of isotropic flat plates is used to account for the geometrical nonlinearity of the heated panel, and local first-order piston theory is employed in the region before and after shock waves to estimate the aerodynamic pressure. The coupled partial differential governing equations, according to the Hamilton principle, are established with thermal effect based on quasi-steady thermal stress theory. The Galerkin discrete method is employed to truncate the partial differential equations into a set of ordinary differential equations, which are then solved by the fourth-order Runge-Kutta numerical integration method. Lyapunov indirect method is applied to evaluate the stability of the heated panel. The results show that a new aeroelastic instability (distinct from regular panel flutter) arises from the complex interaction of the incident and reflected wave system with the panel flexural modes and thermal loads. What’s more, stability of the panel is reduced in the presence of the oblique shock. In other words, the heated panel becomes aeroelastically unstable at relatively small flight aerodynamic pressure.     

超音速气流中受热壁板的非线性颤振特性

随着高速飞行器技术的快速发展,壁板热颤振成为国内外研究人员的关注热点.壁板热颤振对飞行器性能有重大影响,甚至影响飞行安全.以超音速气流下的无限展长二维壁板结构作为研究对象,计入热效应的影响,根据Kirchhoff平板理论和Von Karman大变形几何非线性壁板理论建立系统的运动微分方程.并以壁板在x =0.25处为算例绘制了其前三阶弯曲构型的静态分岔图,对不同轴向载荷条件下壁板的屈曲构型进行了分析.考虑到温差△T是影响热应力的重要因素,对比了不同温差条件下,壁板的静气动弹性变形图,结果表明,温差越大,壁板偏离静平衡位置的位移越大.     

基于动态吸振器的高超声速复合材料壁板颤振抑制及其优化设计

研究了动态吸振器对高超声速流中复合材料壁板颤振的抑制作用.将壁板和动态吸振器的相互作用力描述为两者相对位移和相对速度的函数,利用von-Karman非线性应变-位移关系和3阶非线性活塞理论,根据哈密顿原理和牛顿第二定律分别建立了壁板和动态吸振器的运动微分方程.采用模态假设法对系统进行离散并进行数值模拟,对动态吸振器的安装位置进行了优化设计.数值计算结果表明:合理选择动态吸振器参数可使壁板临界颤振动压提高51.7%,同时可降低颤振后极限环振动的幅值.      

FGM板三维层合模型及热-噪声载荷下的动态响应研究

 为了有效地分析热-噪声联合载荷作用下的飞行器功能梯度壁板结构的非线性动态响应,提出了运用复合材料多层壳单元建立功能梯度材料(FGM)板的层合有限元建模新方法,研究了FGM板在热曲屈前、后状态下复杂的非线性时域动态响应特性,并探讨了梯度指数、热曲屈系数及声压级(SPL)等参数对FGM板非线性动态跳变响应的影响规律。FGM板三维层合建模新方法避免了采用常规有限元法(FEM)建模时需要在厚度方向划分大量单元的缺点;求解FGM板非线性动态响应时采用的隐式积分方案避免了模态叠加法对参与模态选择的经验性要求及模态截断造成的信息丢失等缺陷。仿真结果表明:FGM板层合有限元建模新方法合理可行、过程简便、计算精度高;研究发现:陶瓷-金属FGM板在热屈曲后的抗声振性能并不像热屈曲前那样介于金属板和陶瓷板之间,而是表现最差;热屈曲系数及声压级的组合形式是导致FGM板发生非线性跳变响应的主要影响因素。     

Nonlinear aeroelastic analysis of the folding fin with freeplay under thermal environment

The nonlinear aeroelastic behavior of a folding fin in supersonic flow is investigated in this paper. The finite element model of the fin is established and the deployable hinges are represented by three torsion springs with the freeplay nonlinearity. The aerodynamic grid point is assumed to be at the center of each aerodynamic box for simplicity. The aerodynamic governing equation is given by using the infinite plate spline method and the modified linear piston theory. An improved fixed-interface modal synthesis method, which can reduce the rigid connections at the interface, is developed to save the problem size and computation time. The uniform temperature field is applied to create the thermal environment. For the linear flutter analyses, the flutter speed increases first and then decreases with the rise of the hinge stiffness due to the change of the flutter coupling mechanism. For the nonlinear analyses, a larger freeplay angle results in a higher vibration divergent speed. Two different types of limit cycle oscillations and a multiperiodic motion are observed in the wide range of airspeed under the linear flutter boundary. The linear flutter speed shows a slight descend in the thermal environment, but the effect of the temperature on the vibration divergent speed is different under different hinge stiffnesses when there exists freeplay.     

传热时间迟滞影响的薄板热气动弹性耦合 振荡模型

为了对高超声速下飞行器薄壁结构的振动行为进行研究,建立了一种考虑传热时间迟滞影响的二维无限长薄板的热气动弹性耦合振荡模型.同时,给出了只考虑有限历史时间影响的板内温度分布表达式,并对提出的温度表达式的精确性进行了数学证明,从而将以往被忽略掉的热应力产生的板内力矩引入薄板振动方程.数值模拟结果表明:气动力是薄板振动的主要驱动力,板内力的作用相当于外部预紧力,而板内力矩的变化会驱使薄板进行小振幅振动.综合以上三种因素,对薄板在这三种因素耦合情况下的振动行为进行了研究,发现在来流马赫数较大时,薄板会进入十分复杂的振动状态.最后,通过非线性动力学理论对薄板的振动行为进行了分析,发现了薄板振动中的分岔、混沌等现象,以及通向该类现象的途径.