考虑模型抖振力跨向不完全相关性效应的气动导纳识别

首先通过考虑节段模型上抖振力跨向不完全相关性效应推导了节段模型风洞试验中作用在模型断面上的分布抖振力谱和由底支式天平测到的模型总抖振力谱之间的关系。然后,以准平板断面为例,进行了格栅湍流场节段模型的测力和同步测压试验,获得了模型总抖振力谱以及模型抖振力跨向相关性函数。接着,采用等效导纳法以及抖振力自谱和抖振力脉动风速交叉谱综合残量最小二乘法分别识别了准平板节段模型等效气动导纳和六分量气动导纳,讨论了模型抖振力跨向不完全相关性效应对气动导纳识别结果的影响,并把识别得到的准平板断面气动导纳与平板断面气动导纳的理论结果---Sears 函数进行了比较。结果表明:忽略抖振力跨向不完全相关性效应(即假设节段模型分布抖振力沿跨向完全相关)而直接采用平均抖振力作为断面上分布抖振力的传统方法会导致气动导纳识别结果偏小,并且,其偏小程度会随着频率的增加而增加;此外,相对于抖振升力和扭矩相关的气动导纳分量而言,由于抖振阻力的跨向相关性比抖振升力和扭矩的跨向相关性显得更弱,因此抖振力跨向不完全相关性效应对阻力相关气动导纳分量识别结果的影响更大;利用识别得到的六分量气动导纳反算的作用在模型上的分布抖振力谱与试验中实测结果非常接近,经抖振力跨向不完全相关性效应修正后的竖向脉动风速对应的升力和扭矩气动导纳分量的识别结果与Sears函数也比较接近,从而验证了用于六分量气动导纳识别的自谱-交叉谱综合最小二乘法的可靠性。     

大跨度斜拉桥钢桥塔基于涡振的气动选型及驰振性能风洞试验研究

大型钢桥塔在中国应用较少,其风振特点与常规混凝土桥塔有较大差异.以大跨度斜拉桥“人”字弧线形钢桥塔为工程背景,采用考虑三维绕流特性的气弹模型,针对塔柱可能的断面形式进行了多工况的对比试验,并对风洞试验结果进行分析讨论,进而确定最优断面形式.根据确定的断面形式,对该桥桥塔进行了大缩尺比的气弹模型风洞试验,较全面地考查了该桥桥塔的涡激振动及驰振性能,并对比了阻尼比对桥塔涡激振动振幅及驰振临界风速的影响.试验结果表明:当塔柱断面切角为0.8m×0.7m时桥塔涡振响应最小,相应的扭转驰振临界风速较高.     

基于分岔理论的直升机地面共振分析

基于拉格朗日法建立了旋翼/机体耦合的直升机地面共振动力学模型,该模型考虑了非线性桨叶摆振阻尼的影响.采用非线性分岔理论对无阻尼地面共振动力学系统的自激振动边界进行了预测,并与经典的Cloeman特征方程法得出的结果进行了对比验证.随后利用该理论分析了无阻尼及含桨叶非线性摆振阻尼的地面共振系统的动力学特性.结果表明,采用非线性桨叶摆振阻尼使地面共振动力学系统在自激振动区域呈现出有限幅度的极限环振动,同时也避免了系统在该区域运动发散,且极限环振动幅值与非线性阻尼相关.     

基于测力和测压试验的气动导纳识别结果比较

气动导纳是大跨度桥梁抖振分析的重要参数,通常通过格栅湍流场测力或测压风洞试验进行识别。然而,测力试验中天平和节段模型系统的固有振动和测压试验中测压管路系统的频响效应都会对气动导纳的识别结果产生影响。本文通过格栅湍流场测力和测压试验、采用抖振力自谱和抖振力脉动风交叉谱综合残量最小二乘法识别了准平板断面的气动导纳,其中,在基于测力试验的气动导纳识别中考虑了模型抖振力跨向不完全相关效应的影响,在基于测压试验的气动导纳识别中考虑了按Bergh-Tij deman理论公式修正或者不修正测压管路系统频响特性影响的2种情况。在此基础上,通过考察气动导纳实验识别结果之间的差别及其与平板断面气动导纳理论解Sears函数之间的差别,研究了天平模型系统固有振动以及测压管路系统频响效应对识别结果的影响。结果表明:天平模型系统的共振会显著放大气动导纳的识别结果;而由于测压管路的固有频率一般要显著高于天平模型系统的固有频率,因此,与基于测力试验得到的气动导纳相比,基于测压试验所得气动导纳总体上更加合理,可用导纳的折算频率范围更广。此外,在一般大跨度桥梁抖振分析所关心的折算频率范围内,考虑测压管路频响特性修正后,气动导纳有一定降低。     

强迫振动法提取桥梁气动导数研究

利用节段模型的自由振动法来提取气动导数，这种方法其装置简单、易于实现，但在试验中结果并不完美。原因之一是模型可能会受到涡的影响，并且在高风速时，信号受干扰严重，信噪比较低。另外激振方式的不同也会造成重复性差。强迫振动法一直被认为是提取气动导数最精确的方法，但由于装置较为复杂，研究和实施此法者目前较少。笔者给出了针对两种桥梁断面进行的一次强迫振动法实验检验，表明效果好。     

基于风洞试验的大跨度悬索桥涡振性能研究及评价

目前研究大跨度桥梁涡振性能的主要手段是节段模型风洞试验,而如何利用试验结果对桥梁进行全面细致的评价也需予以关注.以某大跨度悬索桥为工程背景,在阻塞度较小的XNJD-3大型风洞中进行1∶20大比例尺节段模型涡激振动试验,分析了阻尼、风迎角等因素对涡振响应的影响.最后考虑高阶振型的影响,将振幅换算到高阶模态,引入《公路桥梁抗风设计规范》以及英国BS5400规范对桥梁的涡激振动性能进行评价,为今后利用节段模型试验结果来评价实桥的涡振性能提供了借鉴.     

斜拉索风雨振动及制振措施的风洞试验研究

采用全尺寸节段模型,进行了3种不同直径光面索的风雨振动风洞试验,并在各自雨振发生的临界风速、姿态及雨量条件下,和表面附加螺旋肋条及压花后的模型,进行了对比试验,且考察了不同阻尼条件下模型的振动特性,由此探索出对抑制雨振效果较佳的斜拉索表面形式及合适的阻尼比.     

直升机旋翼失衡特性分析

旋翼桨叶相互不平衡，是引起直升机附加振动的主要原因之一，减小桨叶间不平衡（本文称失衡）引起的直升机附加振动，工程上依据旋翼失衡诊断的方法，旋翼失衡诊断技术是正在研究的课题之一。本文针对旋翼失衡诊断技术中的旋翼失衡特性分析，应用叶素理论，导出直升机旋翼失衡情况下，桨叶的运动特性和引起的附加激振力特性的数学分析模型。为验证数学分析模型，对某旋翼试算了失衡下桨叶运动特性和附加激振力特性。结果表明，数字分析模型是合理的．本文为旋翼失衡特性分析提供了一种理论分析、计算方法。     

主动来流条件类平板断面气动力荷载效应分析

利用日本宫崎大学11×9多风扇主动控制来流风洞和高精度动态天平测力设备,测量了类平板断面在正弦风波来流条件三分量气动力荷载,比较了不同来流平均风速、波动幅值、脉动频率和积分尺度等参数条件下类平板断面荷载效应.报导并证实了大气边界层物理风洞固定壁面边界反射效应所产生的倍频放大效应;在获得并验证正弦风波加载离散频率荷载效应可线性迭加的有效频段区间内,初步比较了来流积分尺度和风速湍流度效应对于气动荷载效应的影响,阐明典型节段模型风洞试验结果与传统随机抖振气动力理论的差异.     

采用综合气弹分析方法的旋翼非定常气动载荷计算

提出一种桨叶结构、气动和惯性耦合的旋翼系统综合分析方法，将桨叶绕挥舞、摆振及变距铰的刚性转角作为广义坐标，计入了桨叶整体运动和自身中等弹性变形之间的动力学耦合效应，桨叶弹性变量通过有限元法进行离散，翼型剖面气动力采用Leishman—Beddoes二维非定常和动态失速模型，由自由尾迹模型得出桨盘的非均匀入流，依据柔性多体系统动力学方法推早出桨叶前飞状态下的非线性周期时变动力学方程。对Newmark隐式数值积分方法进行改进，用于求解旋翼桨叶的响应。以法国SA349／2小羚羊直升机的试飞测试数据为依据，验证了方法的有效性。     

端部条件和展弦比对矩形断面节段模型气动力特征的影响

端部条件和展弦比是风洞试验节段模型设计的2个重要因素。为了研究端部条件和展弦比对节段模型气动力特征的影响，开展了不同端部条件和不同展弦比的宽高比5:1矩形断面刚性节段模型静态测压风洞试验。研究结果表明:(1)端部条件和展弦比共同影响着节段模型上流场展向分布。(2)当模型长度大于2倍端部影响区间的长度时，模型上气动力在展向呈现等腰梯形分布；当模型长度小于2倍端部影响区间的长度时，模型上气动力在展向呈现等腰三角形分布。节段模型设计时应重视模型展弦比，合适的展弦比能获得更可靠的结果。     

计入静位移作用的粘弹阻尼器双线性迟滞模型

在传统的粘弹阻尼器双线性迟滞模型基础上,为了便于参数识别,将滑移迟滞恢复力等效成黏性阻尼力与分段线性弹性力的联合作用,引入指数衰减函数表征弹性力及阻尼力随激振幅值的变化规律,并导出了带静位移的粘弹阻尼器复模量计算模型。提出一种结合复模量及迟滞回线进行参数识别的方法,并通过实例验证了改进模型的准确性及参数识别法的有效性。分析了静位移对迟滞回线及复模量的影响,结果表明:静位移的变化使得迟滞回线沿弹性力曲线移动,并由于非线性刚度的影响,迟滞回线的形状也发生了变化;在模型采用奇次弹性力和线性黏性阻尼力的条件下,储能模量随着静位移的变化成偶次函数的趋势变化,而耗能模量则不受静位移的影响;静位移对储能模量和耗能模量的影响源于粘弹阻尼器刚度和阻尼关于位移的非线性特性。     

Nonlinear Modeling and Identification of Structural Joint by Response Control Vibration Test

Components of mechanical product are assembled by structural joints,such as bolting,riveting,welding,etc. Structural joints introduce nonlinearity to some engineering structures,and the nonlinearity need to be modeled precisely. To meet serious quality requirements,it is necessary to detect and identify nonlinearity of mechanical products for structural optimization. Modal test to acquire a dynamic response has been applied for decades,which provides reliable results for finite element(FE)model updating. Here response control vibration test for identification of nonlinearity is presented. A nonlinear system can be regarded as linearity for particular steady state response,and classical linear analysis tool is applicable to extract modal data for particular response. First,its applicability is illustrated by some numerical simulations. Subsequently,it is implemented on experimental setup with structural joints by shaking table. The stiffness and damping function dependent of relative displacement are fitted to describe its inherent nonlinearity. The spring and damping forces are identified by harmonic balance method(HBM)to predict output response. Based on the identified results,the procedure is recommended that it allows a reliable measurement of nonlinearity with a certain accuracy.     

考虑几何及材料非线性直筒-锥段型钢结构冷却塔风致稳定性能研究

作为一种新颖的风敏感结构,直筒-锥段型钢结构冷却塔曲面形状和动力特性复杂、结构柔性和风致效应明显增大,整体稳定性能是其结构设计的瓶颈之一,尤其是结构几何、材料非线性及其高阶振型的影响。本文采用CFD技术数值模拟获得钢结构冷却塔表面风荷载分布模式,基于ANSYS软件建立主筒+加强桁架+附属桁架(铰接)耦合的一体化钢结构冷却塔有限元模型,以不同特征值屈曲模态作为初始几何缺陷分布形式,并基于几何及材料双重非线性有限元方法,系统研究了此类钢结构冷却塔在不同风速下低阶和高阶模态的稳定性能,涉及分歧失稳形态、极值失稳形态、临界失稳风速和静风响应。研究表明:考虑几何及材料双重非线性下钢结构冷却塔临界屈曲承载力下降;基阶屈曲波形相对较小,对几何初始缺陷不敏感;随着风速的增大,附属桁架最先发生失稳屈曲,然后依次为加强桁架和主筒。几何初始缺陷系数及阶数的改变对失稳临界风速影响较小,但随着阶数的增加,非线性分析过程中的变形趋势由附属桁架逐渐转移到主筒。所得主要结论可为此类新型钢结构冷却塔的抗风稳定性验算提供参考。     

简化碰撞模型对直升机桨叶扬起下坠动响应影响

采用含阻尼项的简化碰撞模型模拟铰接式旋翼桨叶与限动块之间碰撞时的碰撞力变化，并研究了桨叶扬起下坠动响应过程。运用Hamilton原理建立桨叶扬起下坠动力学方程，并采用Newmark积分法求解桨叶下坠过程的动响应。分析扭转弹簧刚度、阻尼比和积分步长对挥舞铰处碰撞力矩的影响，计算结果表明：扭转弹簧刚度增大1 000倍时，碰撞力矩的峰值相应增大22.0倍；阻尼比从0增大到0.05时，碰撞力矩的峰值增加10.4%；积分步长变小时，计算的精度有所提高，但计算效率却有所降低。     

风洞天平动态特性多阶惯性补偿技术研究

在高超声速风洞测力试验过程中，冲击载荷或动态载荷激励测力系统结构振动，天平输出信号中包含了振动干扰量，可通过动态补偿方法进行改善，但现有方法处理方式单一，精度受限。根据测力系统结构特点，将测力系统简化为带集中质量的悬臂梁模型，应用振动理论方法，得到了该系统的自由振动解析结果。在自由振动特性研究中，考察了各个振型对测力的干扰以及各个振型加速度分布规律，提出了天平"多阶惯性补偿方法"，并得到了理论补偿系数；进而利用有限元仿真和小波变换后处理方法，对该方法进行了仿真验证。结果表明，相比传统方法，该方法有效提高了天平动态性能。     

基于减小轴向力测量干扰的高精度测力天平研制

针对目前风洞试验技术的发展对风洞天平测量精度的更高需求，研制一台六分量杆式高精度轴向力测量天平，应用新型轴向力测量元件结构形式，并采用有限元方法对其进行了优化和改进。轴向力结构设计采用将测量元件置于天平轴线上的"设计中心位置"的方式，并通过在测量梁上设置铰链以及轴向力测量梁的非对称设计，最终使各气动载荷分量对轴向力的干扰应变输出近乎为零，彻底解决了杆式应变天平轴向力的测量干扰问题。同时，该设计还改善了天平各分量载荷作用在轴向力测量梁上交错复杂的应力分布状态，提高了天平的长期稳定性。天平校准和标模试验结果表明，该天平轴向分量具有较高的测量精、准度，可满足现代风洞试验的高精度轴向力测量需求。     

基于柱梁的片式应变天平研制技术

在飞行器铰链力矩测力和部件测力风洞试验中，常采用片式应变天平测量。受模型结构限制，传统片式天平连接端刚度相对天平元件不足，测量精准度偏低。将片式天平元件分解为多个柱梁元件，通过多个柱梁元件组成一台新型结构的片式天平，可以有效提高片式天平的测量精准度。传统力学分析和有限元软件仿真分析结果均表明该方法具有可行性。基于该技术研制了验证天平，校准结果表明该技术具有很高的应用价值。目前该片式天平研制技术已在中国空气动力研究与发展中心高速所成功应用于多个试验项目。