柔性机翼阵风响应与被动减缓研究

高空长航时无人机的机翼展弦比大、柔性较强,飞行过程中极易受到阵风的影响。文章以几何精确本征理论建立结构模型,耦合 Pitt-Peters动力入流理论建立柔性机翼非线性气弹模型,研究了柔性机翼阵风响应以及翼尖被动阵风减缓效应。采用空间 -时间平行的有限元离散方法,将气弹方程转化为一阶微分代数方程,Newton-Raphson和 Generalized-α算法分别用于静态变形和动态响应的求解,通过算例研究了离散阵风载荷下柔性机翼的阵风响应,结果表明翼尖被动阵风减缓装置对机翼变形有明显的减缓效果。     

一种微重力下洗衣装置的设计与研究

针对载人航天特定环境下的洗衣需求,设计了一款微重力环境下可用的洗衣装置,该洗衣装置采用了硅胶柔性袋容纳衣物,由凸包夹持提供挤压力,由齿轮结构驱动。为研究该装置的洗涤力度,建立了基于光滑粒子动力学法(SPH)与有限元法(FEM)耦合的流固耦合模型。基于该仿真模型和经验公式进行了优化设计,优化后柔性袋容纳50%内容物时能达到当前滚筒洗净标准,容纳96%内容物时需增加1/5倍洗涤时长,能达到当前滚筒洗净标准。     

用于翼面的一种柔性驱动结构的数值仿真分析

变体飞机是通过机翼的柔性、连续变形,使飞机可以实现在不同飞行环境下都具有最佳气动外形。本文提出了一种新的弹簧网状柔性机翼驱动结构模型。在小变形假定的条件下,建立有限元模型,计算得到了典型受力条件下的变形特征,通过数据分析,对比了理论模型解与仿真解的差异,并总结出网状弹簧柔性结构驱动设计的优点与可行性,为模型后续研究提供了指导方向与依据。同时该研究结果对于变体飞机驱动结构的设计具有一定的参考价值。     

动力翼伞多体非线性动力学建模与相对运动分析

动力翼伞的监测与控制设备通常安装在负载上,而主要的气动力结构为翼伞,因此为了实现动力翼伞的精确控制,有必要对其两体相对运动进行分析。考虑动力翼伞的附加质量以及两点柔性连接的特殊结构,采用机理法建立了系统非线性八自由度(8-DOF)相对运动模型,包括翼伞六自由度与负载两体相对运动自由度。通过仿真,分析了动力翼伞在动力变化、转弯和雀降3种操纵下以及遇侧风干扰时的两体相对运动情况。结果表明,动力变化和雀降操纵会引起两体相对俯仰运动,而转弯与遇侧风时具有明显的相对偏航运动。研究结果表明,所建模型可用于解释与分析动力翼伞的两体相对运动问题。     

侧向随动力作用下大展弦比柔性机翼的稳定性

 随动力能够诱发弹性结构发生颤振失稳。以侧向随动力和集中质量分别模拟发动机推力和外挂质量,考虑机翼垂直弯曲-扭转刚度比、集中质量大小、侧向随动力和集中质量的位置以及机翼后掠角和上反角的影响,研究了受侧向随动力作用的大展弦比柔性机翼的气动弹性稳定性。数值模拟所采用的大展弦比柔性机翼非线性气动弹性模型耦合了几何精确完全本征运动梁模型和ONERA动失速非定常气动力模型,该模型考虑了几何非线性、动失速和材料各向异性。模拟结果表明,侧向随动力对机翼颤振可以具有稳定作用,其具体表现依赖于若干变参数的影响,如：减小机翼垂直弯曲-扭转刚度比;发动机吊舱靠近翼根布置;使发动机推力作用点在法向上与机翼弹性轴靠近;单纯的集中质量避免布置在柔性机翼中部,且布置在机翼弹性轴之前或下方,这些设计或布置均有利于提高带发动机吊舱/有效载荷外挂的柔性机翼的气动弹性稳定性。     

推力协同的大柔性飞行器纵向姿态控制

为了研究大柔性飞行器飞行/结构耦合动力学特性,提出了改进的面向控制的大柔性飞行器多体模型,开展了大柔性飞行器纵向动力学耦合特性分析与推力协同下纵向姿态控制律设计。采用二面角动态近似描述大柔性飞行器结构动力学特征,并推导了纵向耦合动力学模型。根据改进模型在配平点处的线性化模型,分析了飞行/结构耦合系统的纵向稳定性与结构变形量之间的关系。针对大柔性飞行器姿态稳定与跟踪,设计了纵向姿态控制器。与常规飞行器相比,大柔性飞行器飞行过程中会发生大变形,当载荷较大时,配平构型近似“U”形,此时纵向动力学具有长周期不稳定的特征。分析结果表明:大柔性飞行器各模态之间的耦合程度随着变形的增大而增大。此外,纵向姿态控制需要升降舵与推力协同控制速度和俯仰角并且考虑结构动力学的影响,否则飞行/结构的耦合作用会导致姿态跟踪误差衰减缓慢甚至发散。      

柔性转子动力特性研究

以某涡扇发动机低压转子为对象,采用有限元方法分析了支承刚度、支承轴向位置、陀螺力矩对柔性转子动力特性的影响,得出了有意义的结论,可为柔性转子结构动力特性的设计提供参考     

柔性风轮的动态入流效应研究

基于BEM修正模型和Pitt-Peter模型,推导出非定常流下的动态入流模型.利用四阶Runge-Kutta法求解动态入流模型中的一阶微分方程.考虑大型机组柔性叶片工作过程中发生大尺度变形的特点,加入柔性结构变形对动态入流模型的反馈.分别研究风力机在风剪、风湍流、偏航、叶片桨距角和风轮转速变化过程中的诱导因子的渐变机理.运用MATLAB进行编程,对某5MW风力机进行动态诱导因子计算,建立起诱导因子的动态描述,得到适合柔性叶片翼型的动态入流模型及分析方法.通过对比几种不同模型的计算结果,验证了加柔性结构反馈的动态入流模型的正确性和实用性.     

柔性飞机非线性气动弹性与飞行动力学耦合静、动态特性

高空长航时(HALE)飞机结构细长、具有柔性,在常规飞行条件下可发生结构大变形、气动失速以及结构低频振动与刚体运动耦合,这些现象显著影响其静、动态特性.基于几何精确完全本征运动梁模型、ONERA动失速气动力模型和六自由度刚体运动模型,建立了考虑几何非线性、动失速和材料各向异性等因素的大展弦比柔性飞机非线性气动弹性与飞行...     

中心刚体-柔性悬臂梁系统的动力特性研究

对中心刚体-柔性悬臂梁系统的动力特性进行研究。首先采用Hamilton原理和有限元离散化方法,给出该系统的一次近似耦合模型以及相应的KED解耦模型,然后通过数值仿真对该系统的动力特性进行研究。研究中考虑了2种情况:中心刚体的转动惯量远大于柔性悬臂梁的转动惯量的情况和中心刚体的转动惯量接近柔性悬臂梁的转动惯量的情况。研究结果显示,传统的零次近似模型在处理大范围运动为未知的刚柔耦合动力学问题时同样存在失效的可能,而一次近似模型能够对系统的动力学行为进行正确的数学描述。当中心刚体的转动惯量远大于柔性悬臂梁的转动惯量时,一次近似模型的结果与零次近似模型的结果之间存在较小偏差;但当中心刚体的转动惯量接近柔性悬臂梁的转动惯量时,零次近似模型将导致错误的结果。     

Mistuned bladed disk forced vibration analysis based on standing wave formulation

Forced vibration analysis including a vortex lattice prediction given an external aerodynamic force is conducted in this paper based on a standing wave formulation. The starting point of the standing wave formulation is a set of blade disk normal modes that incorporate all forms of the blade, disk, and shroud elastic coupling. The Küssner gust function was used in a few previous investigations of forced vibration based on the standing wave formulation. However, it was found to be valid only for low engine-order excitation. Therefore, a two-dimensional unsteady vortex lattice method is employed in this paper to predict the gust excitation up to higher engine-order excitation. Thus, the present unsteady vortex lattice analytical model is capable of capturing compressibility and higher engine-order excitation. It features advantages in terms of its computational time and level of accuracy. The effects of mistuning a cascaded blade are also examined in the present aeroelastic analysis to determine the possible advantages obtained by doing this. Numerical results for the mistuned bladed disk are presented regarding its forced response characteristics. In a low engine-order excitation condition, it is shown that similar predictions are obtained between the present and earlier analyses. The maximum discrepancy in the blade amplitude is 70% for a single-blade mistuned rotor and 62.6% for an alternately mistuned rotor, in the worst case, compared to a completely tuned rotor. Single-peak frequencies are presented and analyzed in the higher engine-order excitation levels.     

合成射流速度特性的实验研究

利用热线风速仪，测量了某受激扬声器产生的合成射流的速度大小。详细测量了频率、功率、波形、空间距离等对合成射流平均速度、最大速度的影响。测量结果表明，所研究的合成射流激励器能够产生很大的射流速度：平均速度与最大速度分别达到42．5m／s和117m／s。合成射流速度强烈依赖于激励频率，测得3个共振频率分别为750Hz，1600Hz和2700Hz，在偏离共振频率时合成射流速度迅速减弱。     

三支点柔性转子系统支承不同心激励特征及振动响应分析

针对航空发动机三支点柔性转子系统的支承不同心问题,充分考虑转子结构特征和载荷特征,首次将当量刚度引入多支点柔性转子不同心问题的动力学分析,定量描述转子系统各支承间不同心度带来的转子轴段刚度非线性,并提出了多跨度柔性转子系统支承不同心激励的数学描述,建立了不同心激励下多跨度柔性转子系统的力学模型。基于Lagrange能量法,给出了转子系统动力学方程的求解方法,研究得到了支承不同心转子系统的动力响应特征。结果表明:支承不同心不仅引起转子过渡轴的刚度非线性,产生2倍频激励,还会给转子系统带来附加不平衡激励;对于三支点柔性转子系统而言,2倍频分量同样是支承不同心下转子系统振动响应的典型特征之一。转子系统2倍频分量随不同心量的增加而迅速增加,而1倍频分量基本保持不变。同时转子振动响应呈现"缓增速降"趋势,且随非线性刚度、不平衡量的增大愈加明显。     

不同激励形式对脉动气膜冷却特性影响的数值研究

为了探究不同激励形式对脉动气膜冷却特性的影响,在35°倾角平板射流模型中,采用非定常数值模拟方法进行相关研究。挑选常用的方波和正弦波作为冷气激励,无量纲激励频率斯特劳哈尔数St=0.019,0.047,0.093,0.263,0.441,重点对冷气附着和高温主流入侵现象进行了对比研究。结果表明:正弦激励下的冷气对壁面有更强的附着和更高的冷却效率;方波激励下的冷气穿透能力较强但对壁面附着相对较弱。此外,方波激励下存在主流入侵,会烧蚀气膜孔及局部壁面;而正弦激励使得冷气连续变化,能明显抑制主流入侵。更进一步,提高脉动周期内的最低吹风比不是抑制主流入侵的最佳方式,因为主流入侵主要是因为冷气量变化过于剧烈。针对正弦激励,冷气的无量纲激励频率St0.263后也会导致主流入侵。考虑冷却效果和避免主流入侵,建议在实际应用中选用较低频连续波形作为激励。     

阵列宽带Lamb波在结构损伤检测中的应用

阵列信号处理中的空间谱估计可以对信号源进行辨别和定位,于是通过采集在结构上布置的阵列传感器Lamb波信号用来检测损伤发生的位置。通常,大多数空间谱估计方法均以窄带信号为假定,在很多基于Lamb波的结构损伤检测中,为了减小频散特性的影响,大多数研究以Lamb波为窄带信号进行分析,但无限窄的激励信号是物理不可实现的。因此,其在多数情况下Lamb波信号并不符合窄带信号假定,更应被认为是一种宽带信号来进行处理。进而利用空间谱估计中宽带信号非相干子空间处理方法（Incoherent Signal Subspace Method,ISM）中阵列接收的宽带Lamb波信号进行处理,检测出结构发生单一损伤时的损伤位置。随后,当结构损伤与边界反射波有叠加时会引起损伤信号相干,采用宽带信号相干子空间方法（Coherent Signal Subspace Method,CSM）对损伤位置进行检测,得到了较好的结果。     

变截面悬臂梁结构动载荷辨识方法

在航空航天领域，作用在结构上动载荷的确定对结构健康监测是非常必要和重要的。为此，本文以类似机翼结构的变截面悬臂梁结构为研究对象，提出了一种基于光纤光栅传感器与卡尔曼滤波器的动载荷识别方法。首先，根据变截面梁单元形式，推导出变截面梁的质量矩阵与刚度矩阵，建立动力学运动方程。然后，以光纤光栅传感器测得的应变信息作为观测信号，通过卡尔曼滤波器生成的增益矩阵、新息序列矩阵以及协方差矩阵，得到灵敏度矩阵和估计力的增益矩阵。在此基础上，利用广义回归模型及其最小二乘算法，估算出动载荷大小、判断出动载荷激励位置。借助数值仿真与实验手段，分别验证了该方法对于单点正弦激励、方波激励、锯齿波激励以及多点同时激励等工况下的动载荷识别效果。结果表明，本文所提算法具有较好的动载荷识别效果和噪声抑制能力，能够为未来风洞试验和真实飞行试验环境中诸如大展弦比机翼表面气动压力等载荷实时辨识、气动外形自适应控制以及结构健康监测提供技术支撑。     

Standing wave drift of hemispherical resonator with quality factor non-uniformity under a ring electrode excitation

Hemispherical Resonator Gyroscope(HRG) is a classical high precision Coriolis Vibration Gyroscope(CVG), which performs attitude estimation of carrier by detecting the precession of standing wave of resonator, thus, the drift of standing wave of resonator has a great influence on the output accuracy of gyroscope, where the quality factor nonuniformity of resonator is one of main error sources. Ring electrode is a classical excitation structure of HRG because the standing wave can precess freely u...     

壁面振荡对边界层分离的影响

流动分离的控制是当今流体力学领域的一个十分重要的研究课题,本文研究外激发小扰动对基本定常分离流的二阶时均整流效应,结果表明:在合适的St/Re比值下,一个足够大振幅的激发扰动可以推迟甚至抑制分离的发生。     

薄壁板结构随机声激励振动响应计算与分析

针对航空发动机压气机转子叶片结构声振动问题,建立了薄壁板有限元简化模型,基于耦合有限元/边界元法对薄壁板在行波加载下随机声激励振动响应进行了仿真计算,得到了在不同声压级下的应力响应结果.改变声载荷激励方向,分别对薄壁板施加单音噪声激励和宽频随机噪声激励,通过仿真计算得到了不同角度随机声激励下薄壁板振动响应频响曲线.对比分析发现,薄壁板模态振型与噪声加载方向是引起薄壁板共振的重要因素.     

基于方波信号的半全局极值搜索算法

针对半全局极值搜索算法,采用正弦信号作为激励信号时,幅值自适应律初始值选取严格、输出存在颤振的问题,提出了采用方波信号作为激励信号。利用平均化方法证明了激励信号选取较小的初始值即可使目标函数收敛到全局极值,同时减弱了输出颤振;采用正弦和方波信号作为激励信号进行仿真对比,说明方波信号可以提高算法的半全局收敛性,有效减弱输出颤振。