基于最小F-范数修正面元法的高速直升机平尾静气弹计算

与常规构型直升机相比,高速直升机平尾面临更加明显的静气弹效应,工程面元法是静气弹数值计算领域广泛使用的气动建模方法。为了改进面元法计算精度方面的缺陷,同时保持其形式简单且计算高效的优势,提出了一种最小F-范数修正面元法。利用以原始刚性模型和预设扭转模型的CFD数据为基础获得的修正系数矩阵,可使平尾弹性变形状态下气动载荷的面元法与CFD计算结果保持较高一致性。基于所提修正面元法,结合结构有限元模型开展了高速直升机平尾的静气弹数值计算,证明了所提方法在静气弹分析中的适用性和有效性。     

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。     

基于非线性气动力的飞机飞行载荷计算

为了研究气动力非线性对飞机静气动弹性特性及飞行载荷的影响,发展了一种基于非线性气动力的飞机静气弹及飞行载荷计算方法。通过引入CFD计算结果,实现对线性方法中的气动力影响系数矩阵的非线性修正,采用模态法求解静气弹配平方程得到飞机非线性的气弹变形及飞行载荷。以某翼身组合体构型为计算算例,分别针对刚性模型和柔性模型,基于非线性气动力完成了飞机静气动弹性分析及载荷计算,并与线性结果进行了对比分析。结果表明,非线性方法可对大迎角范围内飞机静气弹变形及飞行载荷做出较合理的预测。     

蜂窝夹芯旋转壳的屈曲分析

蜂窝夹芯复合材料旋转壳是航天器中的重要部件,且常常与其它部件互相联结,联结区局部高应力往往诱发复杂的局部屈曲模态,为此发展了一套有限元求解方案。针对蜂窝夹芯层合壳体构造了一种基于相对自由度技术的32节点三层壳元,这种单元避免了传统壳元的转动自由度,易与三维实体单元连接,使变厚度、带有补强的复合材料层合壳体等复杂结构得以正确建模。同时运用旋转周期结构有限元技术对大规模的空间蜂窝夹芯层合结构成功实施了屈曲分析。数值算例表明了计算策略的有效性和优越性。     

涡轮机械叶片的流固耦合数值计算方法

发展了一种流固弱耦合数值方法来判断涡轮机械叶片气弹稳定性.通过一种数据交换方法将计算结构动力学(CSD)的节点振动位移施加到计算流体力学(CFD)的叶片表面网格点上,CFD分析采用多层动网格技术实时更新可动域的网格点坐标,并通过有限体积法求解了用k-ε湍流模型封闭的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程.以NASA 67转子叶片为例,在设计状态下,对比了叶片前4阶模态下一个振动周期内的气动功及模态气动阻尼比,初步分析了叶片的气弹稳定性.计算结果表明:所发展的流固弱耦合数值方法用于判断涡轮机械叶片气弹稳定性是可行的.      

复合材料宽弦风扇叶片模态仿真分析

针对复合材料宽弦风扇叶片,以铺层结构设计信息为基准建立了1种有限元建模方法,对某型复合材料风扇叶片模型进行了固有频率与模态振型的数值仿真计算,并采用激光测振仪对该风扇叶片的固有频率进行了试验测量。将试验测量与数值仿真结果进行对比分析,前3阶固有频率的误差在5%以内,第4阶固有频率的误差为6.6%。结果表明:该有限元建模方法建立的复合材料风扇叶片模型与实际叶片较吻合,基本满足工程分析要求,可以为复合材料风扇叶片的优化设计提供参考。     

基于S-A与SSG/LRR-ω两种湍流模型的CHN-T1标模计算与分析

通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程,对第一届AeCW-1研讨会上要求的所有工况进行了计算,着重研究S-A湍流模型和雷诺应力模型在CHN-T1标模上的表现,评估两种湍流模型的网格收敛性,对抖振特性的模拟能力以及对雷诺数的敏感性。根据与实验数据的对比分析,得出主要结论如下:两种湍流模型都能趋向于网格收敛,雷诺应力模型的网格收敛更快。在较大迎角的工况,两种湍流模型对机翼上激波诱导的分离流有较大的差别。CHN-T1标模的尾撑,改变了飞机平尾的压力分布,并且在飞机机尾上产生复杂的三维分离流动,对俯仰力矩系数的准确计算产生了较大的影响。考虑静气弹效应,两种湍流模型计算的力矩系数比不考虑静气弹效应更大,雷诺应力模型的偏差更大。在高雷诺数工况,两种湍流模型的计算结果趋于一致。     

复合材料大展弦比机翼的弹性变形对飞机纵向气动导数的影响

针对复合材料大展弦比机翼进行了静气动弹性特性的分析研究。计算应用MSC／NASTRAN软件，以某飞机复合材料大展弦比机翼的静力分析有限元模型为基础，对模型进行合理的修改，建立起静气动弹性分析的有限元模型，使用结构柔度法和亚音速偶极子格网法进行静气动弹性计算，重点分析了纵向气动导数以及相应的弹性修正系数随马赫数、速压变化的特点，总结出复合材料大展弦比机翼的一些气动弹性特性。     

基于自由尾迹方法的复合材料无铰式旋翼气弹稳定性分析

基于有限元理论及自由尾迹方法,建立了一套适用于各向异性复合材料无铰式旋翼的气弹稳定性分析方法.为了模拟复合材料旋翼气弹特性,截面特性参数采用二维线性有限元方法分析得到,展向一维梁则采用考虑剪切变形的23自由度非线性梁单元模拟,并将自由尾迹分析模型用于计算旋翼非均匀诱导速度场,基于升力线模型构建了一个高效且较为精细的气动分析模块.在此基础上开展了无铰式旋翼气弹稳定性分析,算例计算及验证表明建立的模型能有效地用于复合材料旋翼非定常气动载荷预估及进行气弹稳定性分析.最后细致分析并获得了复合材料铺层角对无铰式旋翼气弹稳定性参数的影响规律,结果表明:算例在小拉力系数(0.0025)下,截面竖直铺层角在10°到25°会发生气弹稳定性问题,这在真实型号设计中应当注意避免.      

旋转弹气动力建模与飞行轨迹仿真

运用一种自回归滑动平均(ARMA)的时域气动力建模方法,以计算流体力学与刚体动力学(CFD/RBD)耦合仿真的输出结果为样本,对旋转弹的非定常气动力进行建模。利用建立的气动力模型与刚体动力学方程求解模块耦合,实现了旋转弹轨迹的快速仿真,并讨论了不同的建模方式对仿真精度的影响。算例结果表明:采用气动力模型与刚体动力学方程耦合仿真技术可以在不同初始发射条件下进行旋转弹飞行姿态与运动轨迹预测,且与CFD/RBD仿真结果吻合较好,证明ARMA气动力建模方法可以在保证旋转弹轨迹预测精度的同时大幅缩短仿真时间,节省计算资源。     

宽弦空心风扇叶片动力响应特性研究

宽弦空心风扇叶片是未来风扇叶片的发展趋势.本文采用ANSYS软件利用数值模拟方法, 通过对叶片的模态特性和脉冲激励下的响应特性研究得到了叶片的基本变形以及动态响应变形情况.结论为该风扇叶片振动时以弯曲变形为主, 工作转速在6000r/min以内, 弯曲振动变形规律以及叶片空心加芯板的结构决定了叶片应力集中发生在内含芯板的叶盆中心处.另外, 在叶片高速旋转时的离心作用使得叶根处也成为应力集中区域.      

基于非接触式测量的旋转叶片动应变重构方法

基于叶端定时非接触式测量和振动响应传递比的概念,开展高速旋转叶片动应变重构方法的研究。在频域内推导了叶片任意测点位移与任意测点动应变的传递比,给出了单模态共振下响应传递比关于位移和应变模态振型的解析表达式;建立旋转叶片的三维(3D)有限元模型,开展考虑旋转预应力效应的叶片模态分析,提取位移和应变模态振型,获得任意转速下叶端位移与叶根关键点动应变的传递比。开展高速旋转叶片叶端定时非接触式测量实验,采用周向傅里叶算法对叶端定时信号进行处理,获得叶片在不同转速单模态共振下的叶端位移,结合响应传递比,重构5个旋转叶片的关键点动应变。结果表明:旋转叶片在9000r/min和13000r/min转速下发生1阶共振时,与应变片实测结果相比,叶根处应力最大点、次大点和边缘点3个关键点的动应变平均重构误差均小于15%,验证了旋转叶片动应变重构方法的有效性。     

压气机二维可压缩气动稳定性分析模型

基于压缩系统气动稳定性理论模型对压气机内部流动可压缩性以及叶排之间相互影响的需要,以Moore-Greitzer模型为基础,发展了一个用于分析多级轴流压气机动态失速特性的多"激盘"二维可压缩模型.该模型采用二维非定常的可压缩Euler方程描述压气机上、下游管道以及各叶排之间轴向间隙内的流动,而采用"激盘"分别取代压气机的各个叶片排.利用该模型,系统地计算和分析了多级轴流压气机中二维小尺度旋转失速的起始特性和动-静叶之间的相互影响,以及总压畸变旋转频率对下游压气机稳定性的影响.计算结果与实验数据的比较表明该模型及其计算结果是可靠的.      

基于响应传递比的转子叶片动应变重构

提出基于响应传递比的转子叶片动应变重构方法,从系统应变频响特性出发,在频域获得应变-应变响应传递比关于模态振型的解析表达式,建立叶片已知测点应变与不可测位置应变的映射关系;开展高速旋转叶片动应变测量实验,建立叶片有限元模型,并采用转子叶片前4阶固有频率的实验结果修正有限元模型;开展考虑转速影响的转子叶片模态分析,提取对应的应变模态振型,计算得到单模态振动下应变-应变响应传递比;综合应变响应传递比和实测动应变重构叶片不可测位置的动应变。实验结果表明:与应变片实测结果相比,基于响应传递比的转子叶片动应变重构结果相对误差小于10%。      

进气畸变与旋转失速诱导叶片振动的相关性分析

为了定量地分析进气畸变与旋转失速两种气动载荷之间以及两者单独激励下叶片位移响应之间的相关程度,基于双级低速轴流压气机试验器上进行的进气畸变试验与旋转失速试验所得的流场数据,对叶片在两者单独激励下的振动特性进行仿真计算,并从统计学的角度对变量之间的相关性进行分析.结果表明:两种流场压力数据之间相关性极高,说明两者共享的特征较多;节点位移响应之间的相关程度低于两种压力载荷之间的相关程度;同一叶型截面上节点位移响应之间的相关系数曲线大致成不对称的V字型;沿叶身截面从叶根至叶尖节点位移响应之间的相关系数逐渐降低,主要与边界条件有关.      

高速旋转发动机叶片模型的断裂力学分析

建立了带裂纹平板叶片的断裂力学模型.首先由已知参考均布载荷下的应力强度因子,得到了带裂纹叶片的权函数;然后根据权函数思想,推导出了高速旋转叶片裂纹尖端处的应力强度因子公式;最后,由断裂准则给出了叶片飞断时临界转速的估算方法.算例研究表明,裂纹的深度和位置对裂纹尖端处的应力强度因子和叶片飞断时的临界转速有很大的影响.      

喘振状态下叶片振动响应的试验研究

在某单级轴流压气机试验台上,进行了旋转失速和喘振状态下叶片振动响应的试验研究,利用电阻应变片、动态压力传感器、滑环式引电器和磁带记录仪等,录取叶片振动应变和动叶出口压力信号,然后回放磁带,做信号处理,在对时域和频域数据分析的基础上,论述了旋转失速和喘振状态下叶片振动响应的特征。     

旋转失速状态下叶片激振频率的研究

研究了各不同几何状态下（平均半径处叶片安装角从３２．９°－４７．９°，叶栅稠度从０．５８３－１．１６５）的旋转失速流场及叶片受迫振动的激振频率。在失速压力信号为非正弦信号及周向叶片并非完全轴对称的假设下，建立了旋转失速状态下叶片激振频率的预测公式，预测结果与实验结果较好的吻合表明，本文所提出的预测公式是可靠的，满足工程精度要求。     

旋翼桨叶动力分析及内力计算中有限元法的改进

提高用有限元法进行桨叶动力分析、特别是动内力计算的精度是本文工作的主要目的。本文建立了变剖面旋转梁协调单元族;提出利用单元动刚度矩阵直接由节点位移计算桨叶内力（简称为计算内力的“动刚度法”）。作为例子,用所导出的不同精度的有限单元和建议的内力计算方法计算了具有不连续结构特性的变剖面桨叶弯曲振动固有频率、振型和模态内力。计算结果表明,工作可以达到预期的目的。     

对转开式转子非定常气动干扰特性分析

采用动态面搭接技术,求解非定常雷诺平均Navier-Stokes方程实现对转开式转子的非定常气动数值模拟.对10片桨叶单个转子和10×10对转开式转子构型分别进行模拟,对比分析前后两个转子间的气动干扰和滑流流动干扰.结果表明:与单个转子相比,对转开式转子前转子的拉力系数和功率系数减小,后转子的拉力系数和功率系数则都增大,并在一个旋转周期内都呈现20次周期性波动.前后转子拉力系数的频谱分析显示振荡发生在桨叶通过频率的偶数倍,且在2倍时后转子拉力的振幅最大.前转子桨尖涡与后转子的周期性干扰,引起后转子桨叶力分布的变化和非定常性.与单个转子相比,前转子后滑流轴向速度偏大,周向速度偏小.后转子对滑流有二次加速及旋涡恢复作用.