间隙非线性气动弹性系统颤振及控制问题研究进展

含有间隙结构的气动弹性系统非线性颤振问题是飞行器气动弹性力学工程领域的研究热点和难点。根据目前现代飞行器结构轻量化设计及更大机动性能的发展趋势,非线性颤振问题日益突出,直接关系到飞行器的安全与性能。因此综述了近几十年来带间隙非线性的非线性气动弹性力学模型、非线性系统辨识及非线性动力学与控制等问题的研究进展。在已有相关研究成果的基础上提出了今后值得进一步解决和关注的研究问题。     

带减阻杆高超声速飞行器外形气动特性研究

采用高超声速风洞测力试验方法测量钝头飞行器头部减阻杆的高超声速气动特性,研究减阻杆的气动减阻原理,分析了多组不同构型减阻杆的减阻效果.结果表明,减阻杆显著减少了钝头飞行器高超声速的阻力,最大的减阻率达到60%之多;减阻效果与减阻杆构型和迎角状态密切相关;减阻杆会诱发稳定性、“热斑”以及非定常脉动等不利问题.     

基于修正活塞理论的壁板非线性热气动弹性分析

高马赫数飞行的航天飞行器,气动力、热、结构多物理场相互耦合,易引发热气动弹性稳定性问题。新型复合材料的广泛应用,使得壁板结构易出现极限环振荡、混沌等复杂非线性热气动弹性响应形式,影响飞行安全。本文基于Patran/Nastran二次开发语言编制了非线性热气动弹性分析程序,针对复合材料壁板,采用Van Dyke修正活塞理论计算非定常气动力,进行典型温度工况下的非线性热气动弹性分析。结果表明,本文方法可对壁板结构LCO,周期,非周期和混沌等复杂非线性热气动弹性响应进行有效预示。     

空气舵执行机构非线性动力学特性表征方法研究

空气舵作为常用的航天飞行器执行机构,具有饱和、间隙与摩擦等非线性因素,如不能准确表征其非线性动力学特性将会影响飞行控制系统的稳定性,甚至造成飞行失利。针对上述问题,开展了空气舵执行机构非线性动力学特性表征方法研究,旨在为非线性动力学特性分析提供工程方法,为控制系统设计提供重要依据。通过研究,提出了试验测试方法、多维空间重构表征方法和传递函数表征方法,三种方法依次递进,可用于控制系统工程设计的各个阶段,对于提高飞行器稳定裕度和飞行可靠性奠定了重要方法基础。     

集中参数非线性结构的气动弹性模拟方法

本文基于固定界面模态综合法建立非线性结构模型,基于ZONA方法及最小状态法获得非线性结构的非定常气动力,最后开展了间隙非线性结构的气动弹性仿真,分析了不同初始扰动及飞行速度下结构的气动弹性响应,该成果可用于其他形式集中参数非线性结构的气动弹性仿真分析,具有一定的研究价值。     

跨声速面积律的近场机理研究

面积律过于定性的描述给实际的飞机设计工作带来了一定的困惑和问题,其理论推导采用的小扰动线化假设也不适应未来空气动力学设计越来越精细化的发展方向。针对具有典型高速飞行器外形特征的AGARD-B标模,结合CFD和优化方法,探讨了实现最优减阻效果的机身修形形式,得出了较经典跨声速面积律减阻效果更好的结果,给出了比经典面积律更为细致的减阻修形原则。以此为基础,通过对各部件的减阻贡献情况的分析,通过修形前后机体表面阻力、压强及等压线分布的对比,发现面积律减阻的实质是飞行器外形所造成的相邻部件之间的压力传递而形成的有利干扰。应用这一结论,研究并验证了机身收缩剖面形状对于减阻效果的影响。最后经过不同升力系数条件的对比,证明对于不同升力、不同迎角的飞行条件,面积律减阻的效果是相同的。     

高超声速气流中复合材料壁板热颤振分析

针对高超声速气流中的复合材料壁板颤振问题,根据Hamilton原理,利用von Karman大变形应变--位移关系、三阶气动力活塞理论和准定常热应力理论建立了壁板结构颤振的气动弹性力学模型,使用Bogner-Fox-Schmit单元推导出考虑热效应的复合材料板颤振的非线性有限元方程.应用数值积分的方法在时域内求解方程,确定出壁板颤振的临界动压,并分析复合材料壁板的非线性颤振特性.数值模拟的结果表明,在高超声速气流中气动力的非线性项和热载荷对壁板颤振的振动幅值的影响较明显.这将为高超声速飞行器壁板结构的设计奠定基础.     

飞行器结构振动研究的有关问题

本文首先介绍了飞行器振动研究方面的发展趋势。过去飞行器结构动力学主要研究弹性飞机在外载荷(力、运动)作用下的结构动力特性和响应。随着航空科学技术的发展,引进了飞行器结构变形对气动力的影响,发展成为气动弹性力学。现在又引进自动控制技术,不仅考虑了结构变形与空气动力的耦合,而且考虑结构系统与控制系统的耦合,发展成为受控气动弹性力学,或受控结构动力学。接着介绍了开环飞机结构动力学的研究内容,包括正问题、逆问题两大类。把已知输入(力、运动)加到已经估算出来的数学模型(如通过有限元素法求得)上,求得所需要的输出,叫做正问题。逆问题之一叫模态识别(或参数识别),即把已知输入加到飞行器上,通过实验测得输出,从而求出数学模型。另一是载荷识别,即根据算出或识别出来的数学模型,和在实际工作情况下测得的输出来确定输入。 本文最后在强调研究飞行器振动问题重要性的基础上,对振动环境问题的研究途径和方法提出了建议与看法。     

基于CFD/CSD/CAA耦合的声气动弹性仿真技术在壁板颤振中的应用

提出了一种基于计算空气动力学/计算结构动力学/计算气动声学（CFD/CSD/CAA）耦合的声气动弹性时域仿真方法。空气动力学和气动声学分别采用大涡模拟和Lighthill声比拟理论进行计算。采用D’Alembert原理和有限元方法建立了二维简支壁板在超声速流作用下的非线性动力学方程,并在时域内进行求解。其中几何非线性采用Von Karman大变形理论描述。以二维弹性壁板作为研究对象,研究了超音速流场中噪声、气动力、和壁板之间的相互作用所产生的非线性颤振现象。     

直升机旋翼气动弹性稳定性问题的数值分析

本文提出了求解非线性方程组的Broyden-Newton算法,它是Broyden秩1算法和Newton算法的组合。并将Broyden-Newton算法和组合QZ方法应用于解决直升机旋翼气动弹性稳定性问题。计算实践表明,它们是数值分析直升机旋翼气动弹性稳定性问题的有效方法。     

含间隙太阳翼展开过程碰撞动力学研究

为了研究含铰间间隙太阳翼展开过程碰撞动力学特性,采用非线性等效弹簧阻尼模型建立了铰间间隙的接触碰撞模型,并采用Coulomb摩擦模型考虑铰间间隙处的摩擦作用,将其嵌入到ADAMS多体系统动力学分析软件中,对一单翼小卫星太阳翼展开过程进行了动力学仿真,详细地研究了含间隙太阳翼展开过程中间隙引起的碰撞力的变化规律,包括间隙大小、展开速度以及间隙摩擦对太阳翼展开过程碰撞力的影响.研究结果对航天器在轨运行姿态、干扰因素和动力学特性有重要的参考价值.     

机翼—平尾组合体的纵向非定常气动力分析

在飞机设计过程中,以前往往只在定常空气动力的基础上进行飞机的稳定性、操纵性计算以及自动系统的设计。在飞行实践中,出现了一些飞行失控现象,这些现象用常规的定常空气动力学理论及其相关的稳定性理论通常难以解释。随着对空气动力学理论认识的不断深入,人们越来越重视非定常空气动力对飞行的影响。在飞行器设计阶段,已经开始考虑非定常空气动力的影响。在一些空气动力学的专著上详细地介绍了非定常空气动力的计算方法,这些计算方法计算精度较高,但其计算复杂。在飞行器初始设计阶段,以及飞行理论教学中,使用那些精确的、复杂的…     

表面微纳结构对气-水界面稳定性和流动减阻的影响

利用压力-流量测量和流动显示方法研究了6种具有不同微纳结构尺寸的超疏水表面的减阻效果以及表面微结构形状对气-水界面稳定性的影响。实验结果表明:设计的各种超疏水表面在层流和湍流下均具有一定的减阻效果;在相同的固体面积分数情况下,微结构间距越小,减阻效果越好;在具有最小结构间距的微纳二级结构表面上实现了最大减阻率（38.6±4.5）%。流动显示观测发现:减阻率与微结构的层级、尺寸、形貌及槽道流态有关,它们均对气-水界面稳定性有一定的影响,揭示了复合微纳结构之所以能够显著提升减阻效果,是由于添加纳米二级结构减小了原有表面的固体面积分数,并提高了气-水界面的稳定性。此外,对于具有双内凹（伞状）微结构表面的微槽道,即使表面为亲水材料,也可以有效捕捉气体,形成稳定的气-水界面,从而实现超疏水性能。     

多间隙齿轮副系统非线性动力学特性分析

齿侧间隙和支承间隙对齿轮系统非线性动力学特性有重要的影响。首先,建立了齿轮副系统多间隙非线性动力学模型。模型中考虑了时变啮合刚度、静态传动误差、齿侧间隙与支承间隙等因素。然后,对系统方程进行量纲一化。最后,利用数值积分方法对方程进行求解,分析了系统在不同载荷条件下随齿侧间隙、支承间隙与阻尼变化的分岔特性。结果表明:在轻载条件下,系统随齿侧间隙的变化表现出丰富的运动状态,包括单周期、倍周期与混沌运动,而在重载条件下,系统的动力学特性未发生变化,仅振幅增大。同样地,系统的运动状态在重载条件下不随支承间隙的变化而改变;然而,在轻载条件下,当支承间隙增大时,系统处于不同的运动形式。研究结果为齿轮系统参数选取与优化提供理论依据。     

前飞时海豚旋翼桨叶的气动弹性稳定性

本文推导了海豚直升机旋翼桨叶在前飞时的挥摆耦合运动的非线性微分方程组,研究了前飞旋翼的两种不同平衡过程(真实前飞和风洞试验),运用多变量的Floquet-Liapunov理论对带周期系数的线性系统进行了稳定性分析。最后,探讨了桨叶根部的阻尼约束对海豚直升机旋翼桨叶气动弹性稳定性的影响。     

爆炸冲击载荷作用下板壳结构数值仿真分析

主要针对爆炸冲击载荷作用下板壳结构的试验破坏问题,利用LS-DYNA有限元分析软件,采用非线性动力学分析计算方法,考虑材料非线性和结构非线性等因素,模拟分析了板壳结构在接触爆炸冲击载荷作用下的动态响应。计算分析结果与试验结果相吻合,利用有限元分析方法能很方便解释试验过程和现象,为试验分析提供有效依据。     

温度载荷对壁板动力学特性的影响

提出了一种新的结构热应力、热模态求解方法。采用多变量有限元方法进行几何非线性单元列式,将温度的影响转化成热载荷进行静力学非线性有限元分析得到结构内部热应力,然后计算受热应力影响的结构非线性热刚度矩阵。由热刚度矩阵和质量矩阵进行广义特征值分析得到结构的热模态及其模态频率。最后,给出了热屈曲的计算方法。针对典型壁板结构计算了热应力和热模态,计算结果与Nastran相差在10%以内,分析了热应力对壁板结构动力学特性的影响。     

基于气动(气动噪声)/结构耦合仿真研究

声振综合力学环境是航空航天飞行器的重要环境之一。航天飞机或运载火箭、飞船在起飞段产生强噪声环境,这种强噪声会激发局部结构振动,损伤飞行硬件,所以飞行器强噪声环境和随机结构振动预示受到了各航空航天大国的重视。综述了国内外综合力学环境研究现状,提出了气动(气动噪声)/结构耦合思想,即基于物理声学、结构动力学以及空气动力学的三场耦合,对飞行器综合力学环境进行预示。分析了气动(气动噪声)/结构耦合综合力学环境仿真的关键技术,提出的仿真基本思路是在已有气动弹性研究的基础上引入噪声载荷,建立三场耦合平台。以舱段为研究对象,进行了气动/结构/声学(CFD/CSD/CAA)耦合建模及仿真,获得舱段时域结构响应,验证了方法的可行性。研究目的是拟开发空间飞行器结构/热/气动/气动噪声多力学耦合分析的仿真环境分析软件。为研究用于高超声速飞行器复杂力学环境预示积累理论基础。     

偏航状态下的风力机叶片气弹响应计算

考虑气动弹性对风力机叶片的影响,采用非定常叶素动量理论计算气动载荷,考虑离心力影响计算挥舞/摆振耦合的旋转叶片动力特性,运用模态叠加法,建立了叶片动力学方程,采用Runge-Kutta-Nys trom方法对方程进行求解,并引入气动阻尼效应,实现了气动与结构的耦合。进行了叶片动力特性及稳定偏航下叶片载荷与气弹响应的计算,并与商用软件计算结果进行了分析比较。结果表明,离心力对叶片动力特性存在明显影响,考虑气动弹性影响十分必要,对准确预测叶片振动水平和疲劳寿命具有重要意义。与商用软件相比,本文方法有一定的改进。     

高超声速飞行器结构热-声振耦合动力学研究进展

高超声速飞行器服役环境十分复杂,气动热、气动力和强噪声等多种环境载荷的共同作用,给飞行器结构安全性带来了巨大挑战;尤其在极致追求结构轻量化设计和实现时,热-声振耦合效应将会十分显著。本文大致总结了国内外高超声速飞行器热-声振耦合动力学研究的主要进展,归纳了在典型热、声及其耦合环境作用下飞行器结构的动力学响应,梳理了动态载荷环境结构动力学建模、计算方法和实验分析方法,描述了结构热-声振耦合动力学理论基础,并探讨了高超声速飞行器结构热-声振耦合动力学研究的重要方向。