高超声速飞行器受热壁板的气动弹性声振分析

高超声速飞行器壁板在非定常气动力、热载荷和噪声载荷构成的多物理场联合作用下,将表现出复杂的非线性气动弹性声振响应,特别是在颤振临界动压附近,受热载荷以及声载荷作用,壁板表现出复杂的跳变运动。基于von Karman大变形板理论,建立了热-声载荷和气动力共同作用下的壁板运动方程,分析了超声速气流中受热壁板的屈曲变形及热屈曲稳定性,借助势阱概念初步分析了壁板跳变运动产生的机理。通过定义“穿零频次”给出了跳变运动定量的分类方法,并计算得到不同温升和动压情况下,壁板发生跳变运动所对应的临界声压级。结果表明：在颤振临界动压之前,随着动压的增加,受热壁板势阱的深度先增大后减小,且受热壁板的势阱深度随着温升的增加而增大。     

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     

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.     

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。     

非线性壁板颤振计算的子循环预测校正方法研究

为了解决流固耦合问题中弱耦合计算方法存在的滞后误差引起计算发散的问题, 将子循环方法与预测校正方法相结合, 使用有限元方法求解壁板动力响应, 使用Fluent求解受扰动的流场, 使用基于拉伸弹簧与扭转弹簧的动态网格方法更新流场网格, 分析了弹性壁板在超声速气流作用下的非线性动力响应, 结果表明此方法能准确预测壁板颤振的响应特性, 计算稳定性优于弱耦合方法, 可以保持长时间计算结果的稳定性.      

超声速流动中功能梯度曲壁板的热气动弹性颤振机理

对高超声速环境中功能梯度曲壁板的热气动弹性颤振机理及分岔特性进行了研究。分别采用活塞理论和Eckert参考焓方法模拟气动力以及气动加热效应,在求解板内二维热传导方程以及考虑温升对材料物性影响的基础上,建立了一个气动加热-气动弹性双向耦合的功能梯度曲壁板的热气动弹性颤振模型。采用有限元方法对曲壁板控制方程进行了数值模拟,着重分析了不同拱高下曲壁板的分岔行为,探讨了拱高变化对曲壁板分岔图的影响,发现了曲壁板颤振三种典型的颤振行为,即:热屈曲、混沌以及规则振动。对初始拱高板厚比为1时,曲壁板的两种规则振动行为进行对比发现,随着马赫数的增大,气动加热效应所引起的热内力会使曲壁板的规则振动更加复杂,同时振动的主振型及频率均会发生变化。     

非线性壁板颤振分析

利用一种改进的计算流体力学与计算结构动力学(CFD/CSD)耦合方法研究了由气动和结构几何非线性引起的壁板颤振问题。在非定常气动力计算中,考虑了通量分裂格式、隐式时间推进方法和几何守恒律;二维和三维壁板的结构几何非线性建模则采用了有限元的协同旋转理论,并利用一种近似能量守恒算法求解结构的非线性响应。流场和结构求解器采用二阶松耦合方法联立求解,并将其应用于壁板在超声速、跨声速和亚声速的颤振计算中。当考虑结构几何非线性和气动非线性时,出现了典型的极限环振荡现象,并对颤振边界和极限环振荡幅度进行了对比分析。     

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。     

高速飞行器壁板颤振分析的研究进展

壁板颤振是壁板结构在高速气流中发生的一种自激振动现象，特别是超音速和高超音速飞行器上特别容易发生这种现象。壁板颤振引发的非线性振动将对高速飞行器结构的疲劳强度、飞行性能和飞行安全带来不利的影响。随着高速飞行器研发工作的开展，壁板颤振问题将得到越来越多的重视。根据目前国内外高速飞行器壁板颤振的研究现状，介绍了壁板颤振的六种分析模型并从结构理论和气动力理论出发详述了这种分类的依据。阐述了温度、气流偏角、壁板几何尺寸及边界条件对壁板颤振的影响规律。并介绍了目前用于分析壁板颤振问题的频域和时域方法并总结了各种分析方法的优缺点。最后归纳了目前对高速飞行器壁板颤振研究得出的几个重要结论，提出了今后在高速飞行器壁板颤振研究中需要解决的若干问题。     

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。     

Suppressing nonlinear aeroelastic response of laminated composite panels in supersonic airflows using a nonlinear energy sink

This paper proposes using a Nonlinear Energy Sink (NES) to suppress the nonlinear aeroelastic response of laminated composite panels in supersonic airflows. Relevant aeroelastic equations are established using Hamilton’s principle and a finite element approach, drawing upon Von Karman’s large deflection theory and first order piston theory. The idea of the NES suppression region is proposed and the effects of NES parameters on the NES suppression region are studied in detail. The results show that the nonlinear aeroelastic responses of the panel can be completely suppressed by the Transient Resonance Capture (TRC); the appropriate NES parameter values can increase the critical dynamic pressure for flutter and suppress the nonlinear aeroelastic response effectively. Increasing the mass ratio of the NES can improve the NES suppression region; the nonlinear stiffness coefficient and damping of the NES within a specific range can suppress the nonlinear aeroelastic response. The most effective installation position for a NES is in a specific region behind the center-line of the panel in the direction of the airflow.     

含不确定参数的复合材料壁板热颤振分析

研究了含有不确定结构参数的壁板颤振问题,利用vonKarman大变形应变-位移关系、气动力活塞理论和准定常热应力理论建立了复合材料壁板颤振的气动弹性力学模型,考虑在壁板颤振分析模型中存在的不确定参数,将其用区间向量定量化,基于区间扩张理论和Taylor级数展开,并结合有限元计算方法,提出了区间分析的方法来估计含有不确定参数的壁板结构颤振临界风速的区间,以及发生极限环振动时振幅的变化区间。通过数值算例,将本文提出的壁板颤振的区间有限元模型与随机有限元模型进行了比较,显示了本文方法的有效性和可行性。这种方法的优点是只需要知道不确定参数的所在范围界限,为解决含有不确定参数的壁板颤振这类复杂的气动弹性动力学问题提供了一个途径。     

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.     

Supersonic flutter control and optimization of metamaterial plate

A metamaterial plate is designed by embedding a periodic array of local nonlinear resonators for its supersonic flutter control. Based on the von Karman large deformation theory and supersonic piston aerodynamic theory, the nonlinear aeroelastic equations of the metamaterial plate are obtained by using the Hamilton principle. The comparisons for aeroelastic behaviors of the metamaterial plate and pure plate show that the proposed metamaterial plate can lead to an enlarged flutter boundary and lower vibration amplitude. Furthermore, a parametric optimization strategy for local nonlinear resonators is proposed to improve the nonlinear flutter behaviors of the metamaterial plate, and a significant enhancement of passive control performance can be achieved through optimization design. The present study demonstrates that the design of the metamaterial plate can provide an effective approach and potential application for nonlinear flutter suppression of supersonic plate.     

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。     

Hypersonic flutter and flutter suppression system of a wind tunnel model

The aeroelastic behavior of a thin flat rudder model was numerically simulated and experimentally investigated in a hypersonic wind tunnel. In particular, a flutter suppression system taking advantage of collision within small gaps was proposed and a novel system for the flutter simulation of the whole nonlinear aeroelastic system including the flutter suppression system was developed. First, the critical flutter dynamic pressure of the rudder without the flutter suppression system was calculated with different methods. Then, the whole nonlinear aeroelastic system, including theflutter suppression system, was simulated to design the gap size. Finally, the flutter suppression system was experimentally validated in a hypersonic wind tunnel operating at Mach number 5. The typical phenomenon of Limit Cycle Oscillation(LCO) was observed, avoiding the structural failure of the model and the consistency between numerical and experimental results was demonstrated.The proposed suppression system can improve the design and reusability of test models of hypersonic flutter experiments.     

亚跨风洞中舵面亚临界颤振试验

设计了舵面颤振试验装置,在亚跨超风洞中对展弦比2．0的NACA0012矩形舵面开展了颤振试验研究。试验马赫数范围为0．3～0．75。试验采用直接观测法获得舵面在不同质量特性条件下的亚声速和接近跨声速的颤振特性。同时还采用亚临界数据分析方法对试验的扭转应变信号进行了离线分析,即通过采用ARMA方法识别扭转应变信号的阻尼和频率,并通过阻尼外插得到颤振临界动压值。研究结果表明：该试验装置可以用于在现有亚跨超风洞中开展舵面颤振问题研究。当采集的亚临界信号为典型指数衰减信号时,以ARMA方法为基础的亚临界颤振试验技术可以稳定地识别出信号阻尼和频率,并较为准确地获得舵面的颤振临界动压、颤振频率等颤振参数。     

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.