典型构型空腔模型设计与流动/噪声特性研究

空腔高速流动包含着复杂波系、旋涡、剪切层等空气动力学典型流动特征,空腔研究中的模型设计、来流马赫数和边界层等参数模拟,以及典型空腔流动/噪声计算与试验结果的差异、缘由等问题亟需解决。综合参考国内外空腔模型参数选取和设计方案,在分析前期前缘平板尖劈构型和角度对来流边界层形态和厚度的影响规律的基础上,通过改变空腔前缘平板尖劈构型和角度来解决上述参数模拟不准和引起计算与试验结果差异等问题,提出了一种典型结构平板-空腔标模(C201)的参数选取和设计方案,给定前缘平板尖劈角度为5°,并利用理论分析、数值计算和风洞试验对该模型设计方案进行了考核验证。综合利用表面流谱、空间流场结构和静/动压测量方法等,获得了亚跨超声速条件下(Ma:0.6~2.0)C201空腔流动/噪声的基本试验数据,并深入分析了该模型的流动/噪声特性及来流马赫数、攻角等参数的影响规律,可为数值计算方法的验证、空腔流动/噪声机理分析和控制方法的构建等提供基本验证数据和借鉴依据。     

前缘直板扰流对高速空腔的降噪效果分析

高速空腔复杂流动和噪声一直是航空航天领域所关注的问题,高强度的空腔噪声不仅影响腔内仪器设备的正常运行,还会对其自身的结构产生疲劳破坏,进而影响飞行器的飞行安全和品质,因此空腔噪声的抑制研究和典型控制方法的降噪效果分析对提高飞行器结构安全性意义重大。本文通过开展高速风洞试验研究跨超声速（Ma=0.9和Ma=1.5）来流条件下前缘直板装置对空腔（长深比为6）流动和噪声的控制机理,通过对比多种前缘直板控制条件下的腔内噪声声压级（SPL）分布,确定直板控制参数的优化选择方法及最优参数;利用静态/动态压力传感器和油流试验采集腔内静压、脉动压力和壁面流谱,着重分析前缘直板对腔内流动结构、声压级和声压频谱的影响规律。结果表明：前缘直板可以大幅度抬高剪切层的位置,使得后缘的撞击区域后移,从而削弱流体进入腔内的流量和强度;可以有效降低腔内静压、减小回流强度和范围,对腔内声压级和峰值噪声也具有显著的抑制效果,Ma=0.9和Ma=1.5时后缘声压级降低幅值可达11.13 dB和8.0 dB。前缘直板流动控制为高速来流条件下空腔噪声的抑制提供了一种新的方法,可有效应用于飞行器上空腔结构的流动/噪声控制,具有重要的工程应用价值和前景。     

内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验

针对内埋武器系统设计面临的多学科交叉问题，通过高速风洞实验，开展内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验研究，为内埋弹舱气动/结构一体化设计和作战环境评估提供支撑。基于相似原理，建立内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验技术，采用高时间分辨率多场载荷同步测试方法与时频数据处理方法，获取亚、跨、超声速条件下内埋弹舱多场载荷特征，分析多场载荷作用下内埋弹舱流动特性、共振条件和结构响应规律。结果显示，内埋弹舱非定常绕流促进了舱内复杂噪声环境的形成，噪声载荷与结构振动数据呈现强相关性。当舱内噪声模态频率与结构固有频率耦合时，内埋弹舱结构响应明显增强，在噪声载荷主频位置，结构振动谱出现峰值，此时噪声/振动数据相关性最大，且耦合频率范围的噪声谱能量提高显著。     

来流边界层厚度对开式空腔气动声学特性的影响分析

分析了不同来流边界层厚度与空腔深度比(δ/D)对长深比(L/D)为8的开式空腔内不同测点的声压级分布和声压频谱特性的影响。试验马赫数是0.6和1.5,相应的Re为1.23×107和2.26×107(基于每米)。结果表明,δ/D减小,导致开式空腔内不同测点声压级均有不同程度的增大;导致空腔上方剪切层与腔内流动或腔后壁相互作用能量增加,引起腔内同一测点不同离散频率对应的声压级增大。可见,δ/D减小,腔内流动自激振荡更易引起空腔自身结构和腔内储藏物结构振动和疲劳破坏。     

锯齿单元对起落架/舱体耦合噪声抑制试验

当前中国民用飞机高速发展，噪声排放问题受到广泛关注。在飞机起降阶段，飞行高度较低且处于机场附近，其噪声直接影响到机场地面周围环境。该阶段内起落架噪声占比较大，成为研究的重点。此外，起落架在收放过程中，除自身脱落涡产生的噪声外，当起落架舱门开启时，舱体空腔内产生自持性振荡噪声，与起落架噪声一起形成更为复杂的起落架+舱体耦合噪声，直接影响到整个着陆系统噪声水平，因此研究起落架与舱体耦合噪声产生机理和抑制措施显得尤为必要。以简化的起落架及其舱体为研究对象，提出一种低马赫数（0.2Ma/0.25Ma）条件下，利用前缘锯齿扰流单元对起落架/舱体耦合噪声进行抑制的方法，并在0.55 m×0.4 m航空声学风洞进行试验验证。首先，从起落架及其舱体耦合噪声产生原因进行分析，分别明确起落架和舱体在耦合噪声各个频段的贡献作用。随后，在舱体空腔前缘安装锯齿扰流单元，以改变自由来流状态，验证降噪措施；同时采用参数化研究方法，研究锯齿扰流单元不同偏角对降噪效果的影响。最后，将起落架模型安装于舱体空腔内，分析锯齿扰流单元对耦合噪声的抑制能力。研究结果表明，锯齿形扰流单元对舱体腔体噪声与起落架/舱体耦合噪声具有明显降低作用，在本试验条件下，30°安装角最佳。预期成果可以应用于起落架/舱体耦合降噪。     

高亚声速空腔绕流气动噪声特性研究

通过分析空腔底面中心线上声压级分布与不同测点声压频谱特性,着重研究了高亚声速空腔绕流的气动噪声特性。空腔模型长深比分别为6、10和15,自由来流马赫数为0.8,基于每米的雷诺数为1.55×107,测量的空腔前缘的边界层厚度为0.034m。结果表明:空腔后缘处于噪声产生区,声压级较高;闭式和过渡式空腔因深度较小,来流剪切层触及了空腔底面,干扰了从腔后壁向腔前壁的噪声反馈回路,限制了腔内流动自激振荡的形成;开式空腔深度较大,剪切层直接跨过空腔中部、撞击腔后壁,并产生强烈噪声,噪声从腔后壁通过空腔向前壁的反馈回路未受到干扰,故腔内流动出现自激振荡和多个声压峰值频率。     

软性多孔材料圆柱降噪特性实验研究

空腔噪声为气动噪声领域中重要的一部分,声衬作为一种有效的降噪措施,其原理为微穿孔板吸声体,即多个亥姆霍兹共鸣器并联,通过激发背腔共振吸收声能。声衬的吸声效果受到多个结构参数的影响,针对低速空腔气动噪声问题,通过微穿孔板吸声体原理对声衬进行多参数混合设计,并将其加装到空腔中,对比加装声衬前后空腔噪声的频谱特性,评估声衬在空腔噪声问题中的降噪效果,分析加装声衬对空腔噪声的自激振荡及声共振产生的影响。     

活塞式合成射流技术及其应用研究

设计了活塞式合成射流激励器,研究了合成射流特性及其影响因素,并在高速风洞中开展了合成射流应用于空腔流场气动噪声抑制的试验研究。研究结果表明：合成射流激励器设计合理,能够得到较高速度的射流,正向射流速度极值约160m/s;合成射流频率与激励器激励频率一致;激励器频率、活塞行程以及射流出口形状等参数会对合成射流速度极值产生明显影响;合成射流速度对射流出口厚度变化不敏感;该方法对空腔流场气动噪声的抑制效果与马赫数关系密切,跨声速条件下,采用该方法进行流动控制能够改善空腔流场的气动声学环境,而超声速时该流动控制方法基本失效。     

超声速空腔流激振荡与声学特性研究

基于高速风洞试验研究了超声速时空腔流激振荡与声学特性.试验马赫数为1.5,基于每米的雷诺数为2.26×107,来流边界层厚度为0.024 m,试验空腔长深比分别为15,12和6.结果表明:空腔内形成的剪切层与腔后壁相撞诱发腔内较强烈噪声,噪声从腔后缘向腔前缘传播时受到腔内流动的干扰,故同频率下腔后缘处的声压均高于腔前中部区域的声压.闭式和过渡式空腔长深比较大,剪切层与腔底面相撞在腔内形成的压缩波或激波,干扰了从腔内声波反馈回路、限制了流激振荡的形成,故腔内未出现明显的声压峰值激振频率;开式空腔长深比较小,剪切层直接跨过空腔中部与腔后壁相撞,产生的噪声向腔前缘传播,腔内形成流激振荡,并出现多个声压峰值激振频率.      

后壁倒角对开式空腔气动噪声抑制作用研究

在高速风洞中对空腔流场气动声学特性进行了试验研究,对空腔后壁进行倒角,以降低气流在该处的撞击强度,从而达到抑制空腔流场气动噪声的目的。试验马赫数(Ma)为0.6~1.2,空腔长深比(L/D)为4.1、4.7。试验结果表明:亚跨声速范围内,随马赫数增大,开式空腔流场气动声学环境恶劣程度加剧,最大总声压级高达170dB以上,声压频谱曲线上存在多个不同模态的单调声;后壁倒角后,腔底总声压级强度明显降低,且其降低程度随马赫数增大愈趋明显,最大可降低近7dB,空腔后壁上主噪声源附近总声压级强度可降低约1dB,声压频谱曲线上的能量峰值明显减弱。     

前缘高频振动对亚声速开式空腔内强噪声影响的数值研究

空腔流动现象广泛存在于各类航空飞行器中,对其包含的多种复杂物理现象的研究具有十分重要的工程及实际意义。采用大涡模拟方法对开式空腔噪声进行数值仿真,并研究了腔体前缘壁面施加高频振动后对腔体内部纯音噪声及模态的影响。研究发现随着壁面振动频率的提高,腔体内部的纯音噪声峰值逐渐降低,当腔体前缘壁面振动频率达到4000 Hz时,腔体内部1阶与2阶模态的纯音噪声峰值分别降低15 dB和17 dB。因此在腔体前缘壁面施加高频振动能显著地降低腔体内部的纯音噪声,为扩展开式空腔的工程应用奠定了良好的理论基础。     

高温环境下二维正交编织C/SiC复合材料壁板振动模态演化

为了研究高温环境下二维正交编织C/SiC复合材料壁板的固有振动特性随温度的变化规律,进一步揭示模态跃迁和丢失现象。首先建立了二维正交编织复合材料的细观非均匀有限元模型,基于细观模型采用体积平均法计算得到了均匀化后材料的模量、热膨胀系数和热传导系数等宏观性能参数。在此基础上,分别研究了均匀温度和线性非均匀温度载荷下,四边简支复合材料板在屈曲前后固有频率及模态振型随温度的变化规律。研究结果表明:在均匀温度场下,如果仅考虑热载荷对材料模量的影响时,随着温度的升高,各阶固有频率逐渐降低,但降低的幅度不大;仅考虑热应力对结构刚度影响时,在临界屈曲温度后固有频率反而上升,并且随着温度的升高出现了频率交错,其对应振型发生了跃迁现象;当同时考虑热物性和热应力影响时,各阶频率值变化趋势与仅考虑热应力时类似,只是对应温度点的频率值有所下降。而在线性非均匀温度场下,通过对比不同工况下的模态振型发现,随着温度的升高某些模态振型还会出现丢失,并且这种丢失是从低阶到高阶依次发生的。     

矩形薄板在不同边界条件下的固有振动分析

研究了在弹性支撑和弹性嵌固边界条件下,弹性矩形薄板固有振动特性的变化规律。利用单项梁函数组合法推导出矩形薄板在2种边界条件下的振型和固有频率的计算公式,应用此公式计算出弹簧系数的变化和薄板固有频率等特征的变化趋势,为分析实际悬臂板类结构振动的特征打下基础。     

弹性环金属橡胶支承结构刚度设计与试验验证

 弹性环金属橡胶阻尼器(MRD/ER)是本文提出的一种有别于传统挤压油膜阻尼器的新型无油润滑转子弹性支承阻尼结构,其支承刚度主要来源于弹性环和金属橡胶,并利用金属橡胶阻尼元件提供结构阻尼。该结构具有良好的线性支承刚度且对转子振动阻尼减振效果明显,其限幅凸台限制转子系统可能出现的过大振幅,保证系统安全可靠。本文对该种弹性阻尼支承结构进行结构和动力学设计,并通过刚度阻尼性能仿真计算以及相应的试验进行验证,结果表明:在准静态试验中,阻尼器的组合刚度在大变形范围内具有良好的线性特征且具有稳定的阻尼性能;在动态试验中,结构动刚度随激振频率的增加而减小,在宽频域内具有较大的阻尼系数。     

Structural shape parametric optimization for an internal structural-acoustic problem

A structural shape optimization problem, with respect to the structural aspect ratio is developed in the context of an axisymmetric structural-acoustic system, consisting of an elastic dome coupled with an internal acoustic cavity, is analyzed in the low- and medium-frequency ranges. The dome is a thin shell considered as a three-dimensional continuum with a dissipative constitutive equation. The internal fluid is a dissipative acoustic fluid. The dome is submitted to an external wall pressure field modeled by a stochastic field. The cost function is related to the pressure field over an internal axisymmetric observation surface inside the acoustic cavity. We are interested in minimizing the internal noise over the observation surface with respect to the structural aspect ratio defining the geometric shape of the dome. This paper develops an analysis of the structural-acoustic shape optimization problem to determine wheter or not there exist values of the dome aspect ratio for which the internal noise is a minimum. The frequency response functions of the structural-acoustic system are calculated to construct the cost function. In this context, the Fourier series expansions of the structural displacement field and the internal fluid velocity potential are carried out with respect to the polar angle variable. For each fixed circumferential wave number, a reduced matrix model is constructed using the structural modes of the structure in vacuo and the acoustic modes of the internal acoustic cavity with rigid wall. The structural modes and the acoustic modes are computed by the finite element method. The optimization parameter is the aspect ratio of the structure. The analysis presented shows that the structural shape optimization problem of the dome with respect to its aspect ratio parameter has a clear solution which minimizes internal noise in the low- and medium-frequency ranges.     

直升机主减机匣结构振动噪声分析与优化

针对直升机主减速器机匣的振动噪声问题,对机匣进行基于频率响应和模态贡献量的结构动力学特性分析,给出机匣的振动特性,并确定对结构振动特性起主要影响的模态.利用间接边界元与有限元相结合的方法,应用基于结构面板声功率贡献量的分析方法,进行结构噪声功率分析和结构噪声功率面板贡献量分析,给出机匣的声学辐射特性,找出相应激励频率下对结构噪声功率贡献量最大的面板.以该面板为设计域进行结构拓扑优化,并根据优化结果合理布置加强筋,以提高结构刚度,达减振降噪的目的.结果表明:结构速度频率响应峰值下降了36%,减振效果良好,结构声功率级有了明显的降低,其中声功率级峰值下降了5dB,降噪效果良好,为直升机主减机匣提供了一种可行的减振降噪方法.      

基于人工神经网络的柔性铰链结构动力修改

利用有限元软件计算出柔性铰链结构参数与振动频率的训练样本,然后通过样本训练人工神经网络建立了柔性铰链结构振动频率与其结构参数的非线性映射关系,最后利用训练好的神经网络修正框架的结构参数以满足设计要求的固有频率。     

弹性空腔声振耦合试验相似动力学特性分析

针对典型弹性空腔声振耦合高速风洞试验问题,基于风洞试验相似原理,以典型弹性空腔为实例,采用量纲分析法建立了完全几何相似模型固有频率和频率响应的相似关系;结合结构有限元理论,通过引入完全几何相似模型作为过渡模型,建立了厚度畸变缩比模型固有频率和频率响应的相似关系;开展了缩比弹性空腔模型的固有频率及动力学响应的数值仿真。根据缩比模型的计算结果,利用已建立的相似关系对全尺寸模型的动力学响应进行预测,结果表明:预测响应曲线与实际计算结果曲线基本重合,验证了提出的缩比空腔模型固有频率及频响相似关系的可行性,为基于动力学相似的缩比弹性空腔风洞试验模型设计和声振耦合试验提供理论指导,且该相似关系的分析方法可推广应用于复杂外形薄壁结构的动力学相似关系建立中。      

结构振动可靠性设计方法研究

以传统的结构振动设计方法为基础,提出了一种进行振动可靠性设计的方法。利用应力-强度干涉理论,发展了激振力频率与结构固有频率干涉的概率模型,建立了结构振动可靠性模型,给出了导致构件损坏的强迫共振响应的概率计算公式及其使用条件。原则上,所发展的方法对其固有频率相对不太密集的构件更为适用,如涡轮机械中的叶片。      

Characteristic analysis of lock-in for an elastically suspended airfoil in transonic buffet flow

Numerical simulations are performed to study the aeroelastic responses of an elastically suspended airfoil in transonic buffet flow, by coupling the unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations and structural motion equation. The current work focuses on the char-acteristic analysis of the lock-in phenomenon. Great attentions are paid to studying the frequency range of lock-in and the effects of the three parameters, namely the structural natural frequency, mass ratio and structural damping, on lock-in characteristic of the elastic system in detail. It is found that when the structural natural frequency is close to the buffet frequency, the coupling fre-quency of the elastic system is no longer equal to the buffet frequency, but keeps the same value as the structural natural frequency. The frequency lock-in occurs and stays present until the structural nature frequency is near the double buffet frequency. It means that the lock-in presents within a broad range, of which the lower threshold is near the buffet frequency, while the upper threshold is near the double buffet frequency. Moreover, the frequency range of lock-in is affected by mass ratio and structural damping. The lower the mass ratio and structural damping are, the wider the range of lock-in will be. The upper threshold of lock-in grows with the mass ratio and structural damping decreasing, but the lower threshold always keeps the same.