大迎角下翼型振动的气动性能研究

众所周知,风洞试验中的飞机模型,尤其是带有大展弦比机翼的模型有时会出现翼梢振动现象,振动模式主要表现为翼梢沉浮和俯仰形式,以致影响实验结果的精度和可靠性。选取相对厚度较小的NACA0008翼型,在求解非定常Navier-Stokes方程的基础上,采用改进的无限插值理论和绕翼型的C型网格,模拟风洞实验中模型振动条件下的流场,研究振动模式及其不同耦合对流场、尤其是大迎角流场的影响,并考虑了模型弹性轴不同位置对结果的影响。研究结果表明：在临近传统定常失速迎角的大迎角条件下,翼型的振动可以引起翼型大尺度的分离,导致翼型失速的提前发生;振动在不同的相位滞后条件下,对翼型流场的分离程度不尽相同。     

飞机发动机冷气道与隔热层的耦合传热分析

数值研究了某飞机发动机外侧冷气道与隔热层的耦合传热过程。采用低雷诺数k-ε模型与SIMPLEC算法计算通道内可压缩变物性气流的湍流对流换热,采用蒙特卡罗法求解通道壁面间的辐射换热。通道内气流湍流对流换热、壁面间辐射换热与隔热层内导热耦合求解。通过模拟计算,分析了通道与隔热层的耦合传热机制,考察了相关参数的影响。结果表明,在所考虑的通道结构与空气流条件下,冷气道外环壁面的温度高于气流温度,气流对内外环壁面均起冷却作用;在隔热层参数不变条件下,壁面间的辐射换热与气流的对流冷却是该传热过程的控制机制,增大冷气流量、降低壁面发射率均可显著降低隔热层的外壁面温度。     

飞机整体瞬态热状况的数值仿真研究

 在分析飞机内外热环境的耦合传热机制基础上，建立了描述飞机整体瞬态热状况的物理数学模型。引入壁面热流函数，将飞机蒙皮外的气动对流与辐射换热作用转化为舱内热分析的浮动热边界条件，实现了飞机内外耦合热作用的解耦计算，避免了难以实现的直接耦合求解。采用区域分解技术，将飞机整体分解为特性不同的多个求解区域。采用蒙特卡罗法求解舱内设备之间的辐射换热，采用热网络法求解设备内部及各设备之间的辐射-导热-对流耦合换热。利用该方法对某型飞机飞行过程中的瞬态热状况进行了数值模拟，获得了飞机舱内的瞬态温度场，分析了相关因素的影响，为飞机设计及相关研究提供了重要依据。     

机身刚度对双体飞机颤振的影响规律分析

针对某双体飞机颤振特性复杂的问题,本文采用片条理论修正后的偶极子网格方法,建立了双体飞机非定常气动力模型,同时基于地面振动试验建立了不同机身刚度双体飞机等效梁模型。通过有限元方法,分析了机身刚度对双体飞机结构动力学的影响,同时通过求解耦合得到的频域方程,探究了机身刚度对双体飞机颤振的影响规律。研究结果表明,机身截面垂向刚度对机身一阶垂直对称弯曲模态、机身一阶垂直反对称弯曲模态与平尾滚转模态频率影响较大。机身截面垂向刚度降低到原设计刚度67%时,机身反对称弯曲模态对平尾扭转效应增强,机身一阶垂直反对称弯曲模态、平尾滚转模态与平尾一阶垂直反对称弯曲模态耦合,双体飞机在269.34 m/s时发生颤振,颤振频率为37.2 Hz。     

飞机/外挂物组合体绕流的数值计算

采用嵌合体埋入方法计算带外挂翼-身组合体复杂外形的流动,将飞机/外挂物外形的流动区域分为机翼-机身和外挂物两个子区域,在机翼-机身子域上求解欧拉方程,在外挂物子域上求解全速势方程,通过两个流场的耦合迭代计算全流场的解。对C-5A飞机及某战斗机的计算表明,数值模拟与实验吻合。实现了不同子域流场使用不同方程的计算方法。     

涡破裂诱导的垂尾抖振数值模拟

 采用数值模拟方法研究了大后掠三角翼前缘涡破裂诱导的垂尾抖振问题,分析了大迎角条件下的垂尾抖振特性。采用Navier-Stokes方程求解非定常气动力、耦合结构动力学方程,建立了气动弹性方程,在时域内采用松耦合方式推进以得到垂尾结构响应。研究结果表明:涡破裂流的脉动频带覆盖了垂尾扭转模态的固有频率,诱发了垂尾抖振现象;与传统的颤振频域响应特性不同,垂尾抖振响应的各阶位移与加速度响应主频均位于各阶结构模态固有频率附近。此外,弯曲与扭转响应存在耦合效应,且耦合作用的频率与提取的垂尾表面气动载荷脉动频率一致。垂尾的位移响应由一阶弯曲模态主导,振幅不大;加速度响应主要由扭转模态产生,量级较大,使结构持续遭受严重的附加惯性载荷作用。     

弹性振动对翼型失速迎角附近流场的影响

通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程得到气动力,结合翼型振动方程,计算了翼型不同迎角下的动态过程,分别通过层流和湍流情况的计算,重点研究了弹性振动对翼型失速迎角附近流场的影响,研究结果表明,在中低雷诺数、翼型具有弹性振动的情况下,翼型的失速迎角会比传统定常意义上的失速迎角提前出现,为长期以来数值计算得到的失速迎角与风洞实验、飞行试验结果的不同给出了一种物理解释。     

方形截面导弹摇滚特性数值研究

采用隐式耦合求解RANS方程与滚转运动方程的方法研究了方形截面导弹的摇滚运动特性。耦合求解过程采用隐式处理提高了求解精度,采用强迫摇滚得到了自由滚转静导数和动导数;采用与摇滚方程的耦合求解得到了方形截面导弹模型在不同迎角下的自由摇滚历程。两种研究结果均显示随着迎角的增加,方形截面导弹将由滚转稳定变为不稳定,并形成极限环振荡,即摇滚;随着迎角进一步增加将形成滚转发散。两种分析方法所取得的结果与试验结果吻合较好。     

大厚度翼型分离流场的稳定性探讨

基于k-ω的SST两方程湍流模型,求解了雷诺平均Navier-Stokes方程获得定常和非定常气动力,耦合翼型弹性振动方程,在时间域内模拟了弹性支撑下的大厚度对称翼型流场及其翼型动态过程,研究结果发现：在所给定的雷诺数条件下,弹性支撑下的大厚度翼型在一定大迎角范围内存在分离流场稳态的转化现象,此结果的意义在于：1）同一基本迎角下的翼型分离涡存在多个稳态流场;2）弹性支撑的翼型在大迎角分离流条件下气动力在物理上本身就存在非唯一性,从一个新的角度解释了大迎角气动力测量中的分散性。     

移动质量作用下膨胀波发射装置的振动响应分析

为研究膨胀波发射装置的振动响应, 根据膨胀波发射装置的发射机理及结构特点, 将弹丸及惯性炮尾视为移动质量, 考虑两者刚性运动与发射身管弹性振动间的耦合作用, 联立膨胀波发射装置内弹道方程, 建立了计及弹丸及惯性炮尾实际运动规律的动力学方程.通过离散求解, 给出了膨胀波发射装置发射过程中身管的振动响应及炮口位置处的运动学效应, 为提高弹丸射击精度及与机身的一体设计提供了必要的理论参考.      

基于结构声强法的机匣振动能量传递特性

为了分析在转子不平衡力激励作用下机匣上纵波、剪切波、扭转波以及弯曲波所携带的瞬态与稳态振动能量的分布规律和传递特性，将结构声强法拓展成矩阵的形式应用到航空发动机领域。建立了转子不平衡力作用下的双转子-支承-机匣耦合模型，通过由有限元工具和自编译程序组建的计算系统，求解并可视化了在高低压转子不平衡力激励作用下机匣瞬态与稳态的总结构声强场以及不同类型振动波的结构声强场。此外，通过运动方程推导并分析了结构声强与结构振动特性之间的内在物理关系。结果表明，机匣上纵波振动能量穿过法兰边后沿其周向传递，而剪切波和扭转波所携带的振动能量则可以穿过法兰边沿机匣轴向传递；支板上的振动能量首先以弯曲波的形式传递到机匣上，振动能量在机匣上沿主要路径传递过程中会发生不同类型振动波相互转换的现象；结构声强通过结构的动能变化率、应变能变化率以及阻尼耗散等能量参数与结构振动特性产生内在物理联系，对结构振动的控制本质上就是对振动能量流的控制。研究结论可为航空发动机机匣以及整机减振提供一定理论指导。     

共用支承-双转子系统振动耦合机理及响应特性

针对带有涡轮级间共用承力框架的双转子系统，采用机械阻抗理论定量描述结构质量/刚度分布特征，建立了复杂转子系统振动耦合机理模型，并提出了针对共用支承-双转子系统的振动耦合点确定方法，以及交互激励瞬态响应仿真方法。仿真结果表明：共用支承-双转子系统振动耦合的力学本质，是转子与支承结构振动交互作用下的动力响应耦合，既包括共用支承结构振动基础激励带来的振动耦合力学行为，又包括多转子交互激励下多频率组合的振动响应耦合力学行为。其中基础激励下耦合程度与支承机械阻抗及转子振型有关，转子间交互激励下耦合程度则受被激转子模态振型影响，被激转子刚体模态振型对基础振动敏感，在激励转子作用下更易产生转子交互激励下振动耦合。     

一种转子动力吸振器的参数优化方法

对用于抑制转子系统启机过临界转速时过大振动的动力吸振器进行参数优化设计,以达到最优抑振目的。利用有限元方法建立动力吸振器-转子耦合系统的动力学方程,求得耦合系统的半数值半解析的响应表达式。设计优化策略利用响应解与限边界的坐标轮换法相结合,寻找动力吸振器的最佳设计变量;将所得最优参数的动力吸振器与常规优化设计方法设计的动力吸振器的抑振性能进行对比,并分析动力吸振器对参数最优偏离的敏感性。结果表明:该参数优化方法优化的动力吸振器能降低1阶共振幅值达45.4%,说明了该方法的有效性;该方法比两种有效的常规优化方法优化的动力吸振器的抑振效果分别高11.2%、9%,可见其优化效果的优异性;与阻尼最优偏离相比,该参数优化方法优化的动力吸振器的抑振性能对刚度最优偏离具有更高的敏感性。      

基于约束方程建模技术的CCGA封装力学特性仿真

为探讨CCGA高密度封装结构在整机设备中的有限元建模方法,分析CCGA封装在力学激励下的响应,选用了不同的有限元单元对CCGA封装结构进行了建模,采用了约束方程方法处理不同单元所引起的求解自由度不协调问题,根据CCGA封装模型特点编写了约束方程自动建模程序。基于约束方程方法建立的有限元模型,对包含CCGA封装结构的设备整机进行了随机振动激励下的有限元仿真,得到了随机振动激励下封装的响应。通过包含CCGA封装结构的有限元模型建模过程可以看出:自动约束方程建模方法可以有效地处理实体单元与梁单元建模引起的自由度不协调问题,为包含高密度封装的设备整机有限元建模提供了新的思路;CCGA封装结构力学特性仿真结果可以较全面反映封装响应,为CCGA芯片的加固措施提供了根据。     

飞艇骨架结构动态损伤识别方法

针对飞艇骨架结构中损伤引起的模态跃迁现象导致无法通过匹配损伤前后动态特性参数变化来识别损伤的难题,给出3种只基于损伤后振动响应信息进行损伤识别的动态方法。通过模态分析方法获得结构的模态参数,分别推导模态振型曲率法、均布载荷面曲率法和虚拟轴向应变法等3种损伤识别算法。定义损伤指标,并根据损伤指标局部峰值来识别和定位损伤杆件。以半硬式飞艇常见狭长构型三角截面碳纤维复合材料桁架为例,结合有限元法和自编MATLAB程序进行损伤识别仿真研究,影响参数包括损伤类型、损伤位置、损伤程度和噪声量级等,最后对损伤识别算法的有效性进行试验验证。结果表明新损伤识别方法对损伤敏感,在环境噪声工况下能准确识别和定位单个和多个损伤杆件。文中方法均基于结构整体振动信息进行损伤杆件识别,将来可用于构造飞艇骨架实时结构健康监测系统。     

翼吊发动机安装结构等效建模及其隔振设计

为了研究翼吊发动机安装结构隔振特性并优化其隔振器设计,建立了发动机安装节-吊架-机翼结构理论分析及有限元模型.利用有限元方法进行了模态验证并分析了安装结构的隔振特性.进行发动机3种典型工况下的结构动响应分析确定了振动传递的主路径.基于振动传递路径法研究了隔振器参数和安装位置对安装系统隔振性能的影响规律.结果表明:振动载荷经安装结构后低压转子转频和高压转子转频峰值响应分别降低22.03%和14.65%.低压转子转频振动传递主路径为发动机-前安装节-吊架-机翼,高压转子转频为发动机-后安装节-上连杆-机翼.通过合理设置隔振器位置可以使安装系统隔振率达到50.41%,隔振器的频率比为5和阻尼比为0.25时安装系统隔振率可达70.67%.为了优化整个发动机安装系统的隔振效果,设计隔振器时必须选取合适的安装位置和参数.      

Preliminary experiment on spontaneous ignition performances of cavity-based strut flameholder

The thermal-structural response and low cycle fatigue life of a three-dimensional (3D) channel wall nozzle with regenerative cooling were numerically investigated by coupling the finite volume fluid-thermal method, nonlinear finite element thermal-structural analysis and local strain methods. The nozzle had a high area ratio (nozzle exit area divided by throat area) under cyclic working loads. Parametric studies were carried out to evaluate the effects of channel structural parameters such as channel width, channel height, liner thickness and rib width. Results showed that the integrated effects of three-dimensional channel structure and load distribution caused serious strain, which mainly occurred at the intersectant regions of liner wall on the gas side and the symmetric planes of channel and rib. The cooling effect and channel structural strength were significantly improved as the channel width and height decreased, leading to substantial extension of the nozzle service life. On the other hand, the successive decrease in liner thickness and rib width apparently increased the strain amplitude and residual strain of channel wall nozzle during cyclic work, significantly shortening the service life. The present work is of value for design of the channel wall nozzle to prolong its cyclic service life.      

结构参数对弹上电子设备双层减振系统 减振性能的影响规律研究

针对弹上电子设备双层减振系统结构参数设计问题,研究了一二级减振系统的频率比、质量比、阻尼比对双层减振系统在随机振动激励下的绝对加速度响应峰值、全频段的加速度响应均方根值、高频段的加速度响应均方根值、相对位移响应均方根值、耦合频率等动力学参数的影响规律,得出一般性的结论,并探讨了双层减振技术的应用,可为弹上电子设备双层减振系统的减振性能设计提供理论支撑。     

Intrinsic physical relationships between rotor modal shapes and instantaneous vibrational energy flow transmission characteristics: Theoretical and numerical analysis and application

The modal vibration of the rotor is the main cause of excessive vibration of the aero-engine overall structure. To attenuate the vibration of the rotor under different modal shapes from the perspective of energy control, the intrinsic physical relationships between rotor modal shapes and instantaneous vibrational energy flow transmission characteristics is derived from the general equation of motion base on the structural intensity method. A dual-rotor-support-casing coupling model subjected to the rotor unbalanced forces is established by the finite element method in this paper. The transmission, conversion and balance relationships of the vibrational energy flow for the rotors in the first-order bending modal shape, the conical whirling modal shape and the translational modal shape are analyzed, respectively. The results show that the vibrational energy flow transmitted to the structure can be converted into the strain energy, the kinetic energy and the energy dissipated by the damping of the structure. The vibrational energy flow transmission characteristics of rotors with different modal shapes are quite different. Especially for the first-order bending modal shape, the vibrational energy flow and the strain energy are transmitted and converted to each other in the middle part of the rotor shaft, resulting in large deformation at this part. To attenuate this harmful vibration, the influences of grooving on the shaft on the first-order bending vibration are studied from the perspective of transmission control of vibrational energy flow. This study can provide theoretical references and guidance for the vibration attenuation of the rotors in different modal shapes from a more essential perspective.     

基于有限元法的风洞结构故障诊断

针对2.4m风洞第一扩散段在运行过程中出现的裂纹现象,应用振动测试技术和有限元分析方法,进行了不同工况条件下振动测量和脉动压力测量,获得了结构在气流脉动压力作用下的主要振动频率范围。通过与有限元分析结果验证对比,诊断出了第一扩散段产生裂纹的原因在于内壳体裂纹板与气流长期耦合振动,结构疲劳从而导致出现裂纹。最后在此基础上提出了合理的整改方案,对结构进行了动力学修改。结果表明：结合振动测试,基于有限元法对风洞结构进行故障诊断是一种行之有效的方法。