机翼对螺旋桨发动机旋转颤振的影响研究

为了研究机翼对螺旋桨发动机旋转颤振的影响规律,揭示其影响机理,通过片条理论计算螺旋桨气动载荷,在MSC.NASTRAN软件平台上进行二次开发,对不同结构参数的吊舱-螺旋桨系统和机翼-吊舱-螺旋桨系统进行了旋转颤振分析。研究表明,机翼结构的弹性会大幅降低发动机俯仰模态频率,而小幅降低发动机偏航模态频率,从而改变两模态频率之差,影响模态耦合的程度,进而改变旋转颤振速度。另外,当发动机的运动与机翼翼面的运动耦合紧密时,机翼翼面的气动载荷能够显著提高发动机的旋转颤振速度。     

带外挂二元机翼颤振模态的转变

本文采用定常空气动力,对机翼外挂系统按频率重合理论进行颤振分析,从而确定最低颤振速度随外挂俯仰频率变化的颤振边界曲线。结果表明,可以根据固有振型的变化情况对颤振模态的转变做出工程判断。     

惯性参数对飞翼体自由度颤振特性的影响规律研究

飞翼飞行器刚体短周期模态频率较高,易与一阶弹性弯曲模态耦合发生一种特殊的颤振——体自由度颤振。采用风洞实验与频域计算相结合的手段,开展了惯性参数(俯仰转动惯量、质心位置)对飞翼飞行器体自由度颤振特性(颤振速度和颤振频率)的影响规律研究。实验和计算结果表明:俯仰惯量和质心位置会明显改变体自由度颤振频率与速度,颤振实验与计算结果一致性较好。俯仰惯量增加,颤振频率降低,沉浮约束时颤振速度基本不变,沉浮自由时颤振速度增大;质心位置前移,俯仰模态频率与阻尼同时增加,俯仰与一阶弹性弯曲模态耦合更容易,但发散模态分支的阻尼也更大,导致颤振速度先降低后增大,颤振频率单调增加。     

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。     

机翼多外挂布局颤振设计的工程方法

机翼多外挂布局颤振设计是在不改变机翼结构的条件下，对各外挂物的弦向布局位置和外挂联接刚度(包括侧摆、俯仰及偏航刚度)进行设计，使颤振速度在满足给定的约束条件下最大。相对机翼单外挂颤振设计，进行机翼多外挂布局颤振设计更易出现颤振分支改变等问题，使得多外挂颤振优化设计难度增大，针对这些困难，提出了一种机翼多外挂布局颤振优化设计的工程方法。方法利用单外挂设计的技术和程序，将多外挂设计转化为多步单外挂设计的迭代。算例表明，这一方法是可行的，优化后模型的颤振速度提高了27．6％。     

飞行控制律对体自由度颤振特性影响试验

飞翼飞机易发生刚体短周期模态与机翼低阶弯曲模态耦合所致的体自由度颤振。飞行控制系统对飞机的短周期模态特性影响很大,因此考虑飞行控制系统的闭环体自由度颤振特性值得进一步研究。针对自主设计的颤振模型开发了相应的俯仰姿态保持控制律,综合运用风洞试验和仿真计算开展了相关研究,获得了不同刚体自由边界条件下的开环/闭环体自由度颤振特性,研究了闭环增益对体自由度颤振特性的影响规律,简要分析了影响机理。试验和仿真计算结果共同表明：俯仰姿态保持控制律明显地改变了俯仰模态阻尼的原有走势,闭环后的体自由度颤振特性变化明显。以开环颤振速度为基准,采用较小的比例回路增益K_P或较大的微分回路增益K_D,飞行控制律能增加飞行器俯仰阻尼,提高体自由度颤振速度,反之飞行控制律将导致颤振速度降低。就本文控制律而言,当K_P<0.07或K_D>0.2时俯仰姿态保持控制律能起到抑制体自由度颤振的作用。     

不同后掠角大展弦比复合材料机翼气动特性

为了研究不同后掠角复合材料机翼的气动特性,建立了载荷模型;采用 K方法通过 Theodorsen函数推导得到了机翼颤振速度的计算公式,分析了 0°、5°、10°、15°、20°、25°和 30°共 7种不同后掠角机翼的模态,得到了模态频率和模态振型;仿真计算得到了机翼的颤振速度和发生颤振时翼尖的最大垂直位移。结果显示:机翼后掠角为 15°时,其颤振速度和翼尖最大垂直位移均在安全范围内,因此,后掠角 15°,展弦比为 26的机翼为飞行器机翼设计最优值。     

迟滞非线性二元机翼颤振特性分析

 采用多项式迟滞非线性模型建立二元机翼气动弹性运动方程，并用数值积分法进行求解。通过系统响应振幅随来流速度变化的分叉图和频谱分析发现，俯仰方向由于含有非线性因素，振动中的高阶分量随速度提高不断增加，并引起高次分叉。重点研究“机翼/空气”质量比以及“沉浮/俯仰”两个自由度的自然振动频率比对非线性颤振速度边界的影响，并提出可以通过提高自然振动频率比来减小迟滞非线性因素的不利影响。     

大展弦比复合材料机翼气动剪裁和减重优化设计

针对大展弦比复合材料机翼各部位的受力和气动特点,将机翼进行分块。在满足结构强度和稳定性等约束条件的前提下,将机翼各块的铺层厚度和铺层顺序作为设计变量,机翼的质量和颤振速度作为目标函数,进行多目标、多约束条件下的优化设计。经过优化后,机翼质量下降21.62%,颤振速度提高12.97%,且满足所有约束条件。这表明,铺层厚度和铺层顺序对机翼的质量和颤振速度有较大的影响,整体设计时,应重点考虑。     

转子陀螺效应对翼吊发动机机翼弯扭颤振特性影响研究

针对现代翼吊式机翼发动机系统的特点,考虑发动机陀螺效应对系统结构动力学特性的影响,建立了基于梁振动理论的机翼弯扭颤振方程;分析了陀螺效应对系统颤振特性的影响规律。结果表明:不考虑发动机吊挂刚度影响时,陀螺效应不影响系统弯扭颤振发生机理,系统颤振速度和颤振频率随着发动机转速的提高而增大;转子陀螺效应对机翼弯扭颤振特性的影响可等效为系统阻尼,且该等效阻尼亦随着发动机转速的提高而增大。     

基于自然激励技术的颤振边界预测

为了预测紊流激励条件下机翼的颤振边界,基于自然激励技术提取紊流响应的自由衰减信号,采用矩阵束方法识别模态参数,最后通过Z-W(Zimmerman-Weissenburger)方法计算稳定性判据,拟合判据变化曲线并外推颤振边界.对平板机翼模型进行了数值仿真分析,对单独机翼模型风洞颤振试验数据进行了计算.结果表明:采用自然激励技术与矩阵束方法能够较准确地识别紊流激励响应的模态参数,频率识别误差小于6％,阻尼比识别误差小于30％,结合Z-W方法能够在较低风速较早地预测颤振边界,有助于提高试验的安全性.     

Flutter analysis of an airfoil with bounded random parameters in incompressible flow via Gegenbauer polynomial approximation

The effects of parameter uncertainty on the flutter characteristics of a two-dimensional airfoil in an incompressible flow were investigated through Gegenbauer polynomial approximation. The uncertain parameters, such as the linear and cubic pitch stiffness coefficients are modeled as bounded random variables with λ-PDFs (probability density functions). With the aid of Gegenbauer polynomial approximation, the two-dimensional stochastic airfoil system is transformed at first into its equivalent deterministic one. Then the Hopf-bifurcation point is determined through the equivalent deterministic system, and the onset of the flutter, together with the flutter frequency against the probability density distribution parameter and the intensity of the random variable is explored. In addition, the ranges of the peak pitch and plunge responses against the flight speed and the PDFs of the peak pitch response are obtained. Numerical results show how the probability density distribution parameters and the intensities of random parameters affect the flutter onset speed, flutter angular frequency, the upper and lower boundaries of peak responses, and the PDFs of peak responses.     

The thrust and lift of an ornithopter's membrane wings with simple flapping motion

Human beings flying with the help of aircrafts of various kinds have been able to fly for about one century. Although the flapping wings of animals served as an inspiration to pioneers of human flight, we don't really understand how they work. In this study, we employ the concept of four-bar linkage to design a flapping mechanism which simulates a flapping motion of a bird. Wind tunnel tests were performed to measure the lift and thrust of the mechanical membrane flapping wing under different frequency, speed, and angle of attack. It is observed that the flexibility of the wing structure will affect the thrust and lift force due to its deformation at high flapping frequency. The lift force will increase with the increase of the flapping frequency under the corresponding flying speed. For the same flapping frequency, the flying speed can be increased by decrease of the angle of attack with the trade of loosing some lift force. An angle of attack is necessary in a simple flapping motion in order to derive a lift force. The flapping motion generates the thrust to acquire the flying speed. The flying speed and angle of attack combine to generate the lift force for flying.     

Flutter and gust response analysis of a wing model including geometric nonlinearities based on a modified structural ROM

In this paper, a framework is established for nonlinear flutter and gust response analyses based on an efficient Reduced Order Model (ROM). The proposed method can be used to solve the aeroelastic response problems of wings containing geometric nonlinearities. A structural modeling approach presented herein describes the stiffness nonlinearities with a modal formulation. Two orthogonal spanwise modes describe the foreshortening effects of the wing. Dynamic linearization of the ROM under nonlinear equilibrium states is applied to a nonlinear flutter analysis, and the fully nonlinear ROM coupled with the non-planar Unsteady Vortex Lattice Method (UVLM) is applied to gust response analysis. Furthermore, extended Precise Integration Method (PIM) ensures accuracy of the dynamic equation solutions. To demonstrate applicability and accuracy of the method presented, a wind tunnel test is conducted and good agreements between theoretical and test results of nonlinear flutter speed and gust response deflection are reached. The method described in this paper is suitable for predicting the nonlinear flutter speed and calculating the gust responses of a large-aspect-ratio wing in time domain. Meanwhile, the results derived highlight the effects of geometric nonlinearities obviously.     

叶间相位角对叶片颤振的影响

发展了一种基于能量法并计及叶间相位角(IBPA)影响的数值计算方法.建立了全环振荡叶栅模型,将每一个扇区分为叶片表面附近的可动域及其外围的固定域,采用有限元形函数将计算结构动力学(CSD)网格点位移的传递到计算流体动力学(CFD)的耦合面网格点上,求解了全环振荡叶栅由k-ε湍流模型封闭的Reynolds平均Navier-Stokes(RANS)方程.以NASA 67转子叶片为例,在设计转速下,基于能量法分析了叶间相位角对叶片颤振的影响.计算结果表明:叶间相位角对叶片颤振有显著影响.      

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。     

状态空间气动弹性模型及其在颤振计算中的应用

本文评述了已有的状态空间气动弹性模型,并对它们提出了一些改进意见。本文还提出了一种新的状态空间气动弹性模型。用两种机翼为例进行了颤振计算。算例表明:这种新的状态空间气动弹性模型是一种精度较高而阶数较低的模型。本文还提出了用状态空间气动弹性模型进行颤振计算时自动识别模态及自动确定颤振点的方法。