基于活塞理论的壁板非线性气动弹性分析

高超声速飞行器在飞行过程中承受着严酷的气动力与气动热载荷,这些载荷与结构弹性力、惯性力相互耦合,严重的耦合效应将有可能导致飞行器壁板结构发生颤振,引发灾难性事故,危及飞行安全。本文给出基于三阶当地流活塞理论的升力面非定常气动力计算公式,基于PCL和DMAP语言自主研发了非线性热气动弹性响应分析软件。以复合材料壁板为研究对象,分别建立基于三阶经典及当地流活塞理论的气动模型,分析了常温及考虑温度梯度的非线性热气动弹性响应,并与文献结果对比,验证了方法的正确性。     

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.     

基于特征正交分解的壁板热颤振分析

当马赫数较高时,气动加热产生的面内热应力,使得壁板的抗弯刚度减弱,导致壁板出现复杂的动力学响应,对疲劳破坏预测意义重大。本文将基于特征正交分解法(POD)建立降阶模型(ROM)用于超音速气流中受热壁板的非线性颤振分析。考虑均匀受热的简支板,采用von Karman大变形理论,一阶活塞理论及准定常热应力理论建立壁板的热气动弹性方程。基于Galerkin混沌响应解作为快照数据提取最优POD模态,建立POD降阶模型。分别采用时程图,相平面图,庞加莱映射,分岔图及最大李亚普诺夫指数(LLE)判断混沌等复杂响应。结果表明,POD方法以更少的模态,更短的计算耗时得到与Galerkin方法吻合较好的稳定性边界及复杂响应解。另外,发现壁板颤振系统存在长时间的瞬态混沌现象,而POD方法比Galerkin方法能够更快地收敛到稳态的周期运动。     

大型飞机高速气动力关键问题解决的技术手段及途径

大型飞机采用超临界机翼,并具有尺度大、飞行雷诺数高等特点,其研制中必须解决好高升阻比机翼、翼身组合体设计,推进系统/机体一体化设计,抖振特性、静气动弹性特性预测及超临界机翼流动控制等高速气动力问题。要解决这些关键气动力问题,必须进行一系列相关的大型高速风洞试验,以及解决相应的试验技术问题。     

考虑边界约束条件的C/SiC壁板热屈曲试验研究

当热变形受到限制或承受非均匀温度场时,复合材料壁板易发生热屈曲现象,导致出现分层或改变了结构的动力学特性,严重影响着飞行器结构的完整性.本文选取典型C/SiC壁板为试验件,设计了水冷边界工装,采用双向限制位移方法模拟试验件的边界约束状态.基于石英灯加热装置,开展了不同升温速率下的热屈曲试验,采用热像仪和数字图像相关技术...     

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。     

热噪声复合环境下飞行器结构动响应预示技术研究进展

高超声速飞行器在巡航/再入阶段经历着严酷的气动力/热/噪声等复合环境,严重威胁着结构的完整性和可靠性。严酷的热环境会显著改变结构的整体和局部模态特性,出现模态跳跃和丢失;当与噪声载荷共同作用时,结构动态响应出现突弹跳变现象,表现出强非线性特征,因此热噪声复合环境下结构动响应预示面临严峻挑战。本文综述了热噪声复合环境动响应预示技术的发展过程,对比分析了目前热噪声动响应预示技术的优势与不足,对于未来高超声速飞行器、可重复使用运载器等载荷环境条件制定和结构优化设计均具有重要意义。     

间隙非线性结构气弹响应分析程序的DMAP开发

对大型工程结构,目前MSC/NASTRAN提供了线性颤振、线性气弹的计算功能,但无法进行非线性结构的气弹响应分析。本文采用Roger有理函数拟合法,从简谐运动情况下NASTRAN求得的若干折减频率下的非定常气动力系数矩阵,导出任意运动情况下的非定常气动力近似表达式,并将该气动模型引入到非线性运动方程中,利用DM AP语言在NASTRAN非线性瞬态响应分析程序中加入相关气动力模块,实现了大型有限元机翼结构的非线性气弹响应分析。文中给出了算例,结果验证了该法分析间隙非线性结构气弹响应的有效性。     

复杂结构全频段声振综合响应分析

航天飞行器在飞行过程中受到严酷的声振综合力学环境,既有发动机的脉动推力,又有飞行过程中的气动力作用,可通过声振综合试验提高地面试验考核的真实性。而声振综合环境下的结构响应预示可为试验方案制定、条件制定以及结构设计等提供技术支撑。本文针对复杂卫星结构,开展了全频段声振综合响应预示技术应用研究,重点研究了随机振动施加方法、噪声载荷施加方法、结构建模方法等,在此基础上预示了卫星模型在声振综合环境下的结构响应,将仿真结果和声振综合试验结果对比发现,仿真结果和试验结果吻合,RMS值误差在3d B以内。     

机身整体壁板在轴压载荷下后屈曲计算及结构优化

以民机机身组装壁板为基准,设计了等重量的整体壁板结构,并分别建立了两种壁板的有限元模型.通过组装壁板轴压试验结果与非线性、大变形的有限元计算结果比较,对有限元模型进行了验证,两者结果吻合很好.在此基础上,有限元计算分析得出了组装壁板与整体壁板在轴压载荷下的破坏形式与承载能力的差异.结果表明,整体壁板承载能力比现有的组装壁板承载能力提高了18.4%.最后基于有限元模型与二次响应面模型对整体壁板尺寸进行优化,优化后壁板轴压承载能力不变,结构重量减轻了8.7%, 故为整体壁板设计提供了很好的依据.     

机翼高超音速热颤振有限元分析

基于热气动弹性的特点,给出考虑温度影响的机翼热颤振有限元分析的一般理论。采用Nastran软件对给定的温度分布热效应下两个典型的高超音速机翼的模态特性和气动弹性稳定性进行有限元分析。计算结果表明,受热结构的模态特性和颤振特性均发生变化。由于温度效应降低弯曲、扭转及弯扭固有频率,还会改变它们之间的相对关系,从而导致颤振临...     

2.4m×2.4m跨声速风洞虚拟飞行试验天平研制

要解决先进飞行器的气动/运动非线性耦合问题,就需要建立气动/飞行力学一体化的虚拟飞行试验平台,用于获取飞行器机动飞行过程中的非定常气动力特性,弄清气动/运动非线性耦合机理。2.4m×2.4m 跨声速风洞(以下简称2.4m风洞)虚拟飞行试验天平研制技术是虚拟飞行试验机理性研究的关键技术之一。由于试验模型为两段的细长结构,天平设计空间受到限制,并且载荷极不匹配。风洞试验研究要求天平不仅要实现分段模型气动力的测量,还要实现两段模型的同步小摩擦滚转运动,传统天平无法满足试验要求。新设计的天平采用一种带有轴承和心轴的环式“双天平”新结构,较好解决了载荷匹配问题以及测量与运动之间的矛盾。天平设计利用有限元软件ANSYS进行应变和应力分析与优化,并设计了耦合式电桥。天平静校和风洞试验数据表明,该天平满足风洞虚拟飞行试验机理性研究的要求。     

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。     

天线罩地面热试验—模拟气动加热的公式控法

导弹以超音速飞行时,结构外表面的温度可达几百度,因此在正式飞行前,一定要做模拟飞行时表面温度的地面热试验。这种试验可以采用三种方法来进行。一是温度控,即是用飞行时结构表面的真实温度T_1曲线作为地面热试验的控制参数。二是热流控,即是用飞行时结构表面所接受的热流q曲线作为地面热试验的控制参数。三是公式控,即是用飞行时结构表面处的绝热壁温T_(AW)曲线和对流换热系数α曲线作为地面热试验的控制参数(T_1、q、T_(AW)和α通过外热源计算可以得到)。温度控简单、方便、容易实现,对物性参数稳定、受热后不分层的材料适用。热流控对物性参数稳定、具有烧蚀性的材料适用。公式控对物性参数不稳定、受热后易分层的材料适用。但此方法调试复杂、不易实现。天线罩的材料是玻璃钢,它的物性参数是温度的函数、不稳定、受热时易分层,采用公式控进行地面热试验较合适,从而使试验成功。     

C/SiC舵结构热试验瞬态温度场预示技术

航天飞行器在大气层中高马赫数飞行时,会面临严酷的气动加热环境,C/SiC、C/C等高温复合材料由于具有耐高温、高比强、高比模等优点,在飞行器热结构设计中得到大量应用。为了考核热结构服役过程中的高温力学性能和完整性,需要根据飞行时序进行地面结构热环境试验,其中石英灯辐射加热装置是模拟瞬态气动热环境的一种重要手段。地面结构热试验具有不可重复、技术难度大等特点,发展结构热试验辐射热环境预示技术可以有效支撑飞行器结构地面试验验证。针对采用石英灯辐射方式加热的C/SiC复合材料舵结构热试验,建立了辐射加热动态控制过程模拟方法,基于热网络法和蒙特卡罗法获得了结构瞬态温度场分布,通过与试验数据的对比分析,验证了方法的可行性,能够为复合材料结构热试验方案优化和试验效果评估等提供技术支撑。     

高超声速飞行器地面颤振评估技术研究

针对高超声速飞行器飞行过程中颤振边界变动范围大、试验测试难的问题,本文开展了考虑气动热效应的翼面结构地面颤振试验技术研究。首先基于工程法对结构所受的气动加热进行了分析,在此基础上开展了结构的热颤振特性评估并作为地面颤振试验结果的参考标准。考虑实际飞行中结构温升效应影响,建立了基于多工况点的气动力综合优化降阶算法,确保了整个温升过程的气动力模拟的精度。通过建立基于模糊逻辑比例、积分和微分（Proportional integral derivative,PID）控制的多点协调控制系统,实现了温升过程中时变系统的激振力控制器设计。最终搭建了地面颤振试验系统,按照典型飞行状态对结构的热颤振特性进行了测试,试验测试结果与仿真结果对比相对误差约10%。     

再入飞行器端头烧蚀的耦合计算方法

端头烧蚀是超高速飞行器再入过程中非常关心的问题。端头材料在高温高压环境中,因烧蚀其原有气动外形和结构传热边界不断变化,而气动外形和传热边界的变化又反过来影响端头热流、温度分布和烧蚀量。它们之间表现出复杂的强耦合、非线性特征。本文以碳基材料端头帽烧蚀过程为例,发展了端头帽绕流、烧蚀和结构传热耦合计算方法。通过气动、烧蚀和结构热响应计算程序的耦合和迭代,实现了对端头帽再入烧蚀过程的实时动边界模拟,并在飞行试验条件下,得到了与测量数据基本吻合的结果。     

基于CFD/CSD的大展弦比机翼气动弹性研究

考虑气动力非定常效应和惯性载荷作用对机翼气动弹性行为的影响,采用基于Euler方程和有限元的CFD/CSD耦合方法分析了大展弦比机翼的气动弹性时域响应,实现静、动气动弹性一体化计算.计算结果显示在相同马赫数下,机翼静变形随着飞行动压增大而增大;但是随着飞行高度的增加,机翼在进入稳态之前振荡越剧烈,响应超调越大,升力损失...     

民机空难相关非定常气动力问题研究

近年来,非定常气动力引起的飞行失控在造成民机空难事故诸因素中名列前茅,已经成为困扰国际民用航空运输发展的一个聚焦点。大气飞行气动力环境本质上是非定常的,而迄今飞机均按定常空气动力学和线性飞行力学原理设计,这就决定了现有民机在真实飞行中必然存在飞行失控之类的安全缺陷。简要介绍近年来国内外飞行失控造成民机发生重大飞行事故的情况,着重阐述采用非定常气动力和非线性飞行力学高新技术减少飞行失控、改进现役民机飞行安全性的研究思路和主要技术途径,旨在推动我国尽快实现减少民机空难事故这一重大目标。