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。     

改装苏-80飞机的尾翼抖振研究

以苏-80运输机作为研究对象,设想将它改装成预警机,安装三种不同的雷达天线罩后,对其引发的尾翼抖振方面的特性,用弹性模型风洞实验进行对比定性研究。试验结果表明,只有装有圆盘型雷达天线罩的载机模型在0°俯仰角、12°偏航角的飞行姿态下才发生抖振,说明其加装各种雷达天线罩激发抖振的可能性都很小。     

方向舵蒙皮的壁板颤振分析

针对某飞机出现的方向舵蒙皮壁板颤振故障引发的振动疲劳裂纹问题，进行了相关的分析计算和修改方案。利用MSC．NASTRAN软件，建立了计算壁板颤振的有限元模型，取前15阶固有振动模态构建模态坐标系下的颤振方程。选用ZONA51超声速气动力计算程序分析壁板的气动力，采用空气密度折半的方法来模拟壁板单面承受气动力的情况。计算结果表明，方向舵蒙皮发生了壁板颤振。通过对方向舵蒙皮结构修改方案的进一步分析，表明修改方案能够满足壁板防颤振设计的要求，并且具有相当大的安全裕量。     

基于矩阵奇异值理论的颤振分析新方法

根据颤振分析的基本概念,提出了一类基于矩阵奇异值理论的颤振分析新方法。该方法的特点是,以计算颤振矩阵最小奇异值或条件数的倒数来直接搜索颤振临界点。证明了这两个指标在颤振临界点处的等价性。根据指标在颤振临界点附近取极小值的特点,编制了相应的算法,在确定颤振临界点时无需计算颤振特征根,避免了“窜支”问题,从而减少了人工干预,提高了计算自动化程度。数值算例结果表明,采用该方法计算得到的颤振临界速度和颤振频率与p-k法计算结果的精度相当,且两个指标对应的计算结果一致,验证了其等价性。     

温度分布对复合材料壁板颤振特性的影响

为了分析不同温度分布对复合材料壁板的颤振临界速压和非线性极限环颤振幅值的影 响,将壁板面内的温度分布简化为线性分布情况和非线性二次曲面分布,建立了受 热复合材料壁板颤振的有限元模型,并分别在频域和时域内对受热复合材料壁板的临界颤振 速压和极限环颤振响应进行了求解。结果表明,温度分布的梯度效应使得壁板颤振临界速压 降低并使极限环颤振幅值增大;而非线性温度分布的曲率效应使得颤振临界速压升高。采用 面内 温度均匀分布的模型求解壁板的颤振边界,既有可能得到偏“保守”的解,也有可能得到偏 “危险”的解,而且当壁板温度分布的非线性效应较强时,不仅要考虑壁板温度分布的梯度 效应,还要考虑温度分布的曲率效应对壁板颤振特性的影响。
     

铺层方式对复合材料壁板热颤振特性的影响

采用分步求解的方法进行复合材料壁板的热颤振分析。先分析热效应产生的壁板附加刚度,再将壁板的热刚度效应引入到壁板颤振模型中进行壁板颤振分析。通过一块四边固支壁板的热颤振分析算例,验证了这种壁板热颤振分析方法的正确性。进而针对高速飞行器结构中的复合材料壁板热颤振问题,分析了三种不同铺层方式的复合材料壁板在受到面内均匀热载荷时颤振临界速度随温升的变化规律。结果显示：(1) 层合复合材料壁板的铺层比例和铺层顺序对壁板的热颤振临界速度都有明显的影响;(2) 温升可导致壁板颤振临界速度明显降低,且铺设方式不同,下降程度不同;(3) 在颤振危险模态不发生变化时,壁板颤振临界速度随温升而下降的趋势近似呈线性关系。     

超声速气流中受热壁板的二次失稳型颤振

研究了超声速气流中受热壁板的非线性气动弹性响应,发现了一种新的动态失稳现象——二次失稳型颤振。基于von Karman非线性应变-位移关系、Reissner-Mindlin板理论和一阶活塞理论建立超声速气流中三维壁板的有限元模型。通过数值算例,研究了超声速气流中受热壁板发生二次失稳型颤振的条件,并运用非线性振动理论分析了二次失稳型颤振的机理。研究表明,超声速气流中受热壁板在平衡态的稳定性未发生变化时,也会因系统参数的变化引起气动弹性响应性质的突变,导致壁板的二次失稳型颤振。二次失稳型颤振能否发生不仅受到气流速压和壁板温升的影响,而且还与初始扰动有关。当扰动引起壁板的初始变形较小时,不能激发出二次失稳型颤振,壁板的气动弹性响应最终收敛到屈曲平衡态。应用二次失稳型颤振理论和分析方法,确定了前人给出的一个金属壁板模型的热颤振边界的风洞试验结果,而且计算结果与试验结果符合良好,从而对这一壁板热颤振现象的风洞试验结果作出了较合理的理论解释。     

考虑间隙内流的二元机翼跨声速气动力分析

基于Navior-Stokes (N-S)方程和Spalart-Allmaras湍流模型,建立了含间隙二元机翼的跨声速绕流场计算模型和间隙内流计算模型.通过FLUENT数值仿真,分析了二元机翼的激波压力分布和马赫数分布,并与风洞试验 结果进行了对比验证.数值结果表明,连通波后高压区和波前低压区的间隙内流会提高机翼绕流场中激波前后的速度梯度和压力梯度.局部间隙内流会对机翼结构带来“向外吸”和“向前顶”的气动载荷作用.