某战斗机高速全模颤振风洞试验研究

为了验证高速风洞全模颤振试验技术以及获取某战斗机颤振安全边界,运用风洞试验的方法研究了某战斗机全模颤振特性,重点考察了模型在支撑系统上的稳定性、安全性以及典型颤振特性。结果表明:采用悬浮支撑系统可以使颤振模型具有除轴向以外的5个方向的运动自由度以及较好的稳定性和安全性;跨声速时的非线性气动力与速压较高时的结构非线性对全机颤振特性有较大影响,导致模态参数与颤振稳定性参数随速压呈非线性变化;振动波形图显示了该模型颤振形式为缓和型颤振,验证了模型设计时的计算结果。     

全模颤振双索悬挂系统刚体模态频率研究

研究绳系结构和绳索预紧力对全模颤振双索悬挂系统刚体模态频率的影响。首先,基于绳索并联机构理论,对双索悬挂系统进行静力学建模,引入加权矩阵,推导了双索悬挂系统静刚度模型;其次,建立双索悬挂系统无阻尼振荡方程,分析双索悬挂系统刚体模态频率变化规律;进而,搭建了双索悬挂系统地面样机,开展系统模态频率测试试验,研究系统刚体模态频率的影响因素及其变化规律;最后,参考试验结果修正所建数学模型。结果表明,随着绳索预紧力的增加,系统刚体模态频率呈上升趋势,但各阶刚体模态的固有频率上升速率不同,平动模态的固有频率受绳索预紧力影响比转动模态小得多;在转动模态方面,滚转模态的固有频率最大且上升快;在平动模态方面,升沉模态的固有频率大于横侧滑模态的固有频率;双索经过的机身前后滑轮与飞机模型质心之间的相对位置变化会不同程度地影响支撑系统俯仰模态、偏航模态的固有频率,但几乎不影响其滚转模态的固有频率。研究发现,通过控制悬挂绳索预紧力的大小,合理设计机身上的滑轮安装位置,能够有效降低双索悬挂系统刚体模态频率。研究结果对于优化设计全模颤振双索悬挂系统具有指导意义。     

低速全模颤振试验悬挂支撑系统

为适应日益增多的低速风洞全模颤振试验的需要,发展颤振试验技术,在气动中心低速所3．2m 风洞建立了一套通用的悬挂支撑系统。该悬挂系统分为垂直和水平两部分,水平悬挂系统由水平钢索装置和张紧机构组成。系统可提供模型沉浮、俯仰、横侧向、偏航和滚转5个方向的自由度;可单独改变模型某一方向的自由度而不影响其它方向的自由度;可确保模型上下、左右、前后位置都处于试验段正中心;可方便地调整模型的迎角和滚转角。对采用该悬挂系统的颤振模型,文中提供了技术要求和参数选择方法。采用同一颤振模型在3．2m 风洞与TsAGI的T-103风洞进行了对比试验,得到的颤振临界速度、频率基本一致,证明该套悬挂系统设计合理,可以应用于低速全模颤振试验。     

跨声速风洞全模颤振试验技术

介绍了跨声速全模颤振试验的发展现状和存在的问题。探讨了全模颤振试验对风洞和支撑系统等试验设备的要求。对于风洞,主要从风洞洞体和流场等方面分析了进行颤振试验所需要具备的性能,并以中国空气动力研究与发展中心的2.4m跨声速风洞为例,介绍了进行颤振试验必须要采取的控制措施。对于支撑系统,则从模型运动自由度、支撑系统稳定性和支撑系统频率等方面的要求,阐述了设计支撑系统的困难,并简要分析了目前国内外发展的多种全模颤振支撑系统的结构原理及其优缺点。然后介绍了系统安全的保证措施,包括支撑系统稳定性分析、风洞紧急停车控制系统和模型保护装置等。最后根据飞行器发展的需求,探讨了今后需要完善和发展的几个主要问题。     

跨声速风洞全模颤振试验悬浮支撑系统

介绍了用于CARDC的2．4m跨声速风洞全模颤振试验的悬浮支撑系统的组成、试验装置的结构及其特点、控制算法等。给出了风洞调试试验结果,并进行了简要讨论。试验结果表明,研制的悬浮支撑系统具有强度高,对模型的浮沉和滚转控制能力强等特点。     

基于Broyden法的旋翼多体系统气动弹性分析

建立了旋翼多体系统气动弹性模型并给出了一种适合于该模型响应计算的数值计算方法。采用柔性多体系统动力学方法建立旋翼气动弹性模型,利用驱动约束显著简化约束方程形式,集成大变形桨叶模型,准确考虑变形的非线性,适合于对采用柔性结构的先进旋翼进行气动弹性分析。基于Broyden法改进隐式积分法积分一步中非线性方程的求解,避免求取切线矩阵和矩阵求逆运算,保持隐式积分法具有较好稳定性的同时提高计算效率,解决了旋翼多体系统气动弹性力学方程隐式表达且具有较强非线性和较高刚性比造成的响应计算困难。通过模型旋翼桨叶响应计算验证了结构模型与气动弹性响应求解方法。采用建立的气动弹性模型计算悬停和前飞状态旋翼气动弹性稳定性,与试验结果对比验证了模型的正确性。研究了不同的稳定性计算方法、桨叶结构模型和入流模型等对悬停和前飞稳定性计算的影响,结果表明本文所采用的结构、气动模型及气动弹性稳定性计算方法提高了气动弹性稳定性分析精度。     

基于多体动力学的旋翼模型与气弹稳定性

针对无轴承等先进旋翼结构特点,建立了基于柔性多体系统动力学方法的旋翼气弹分析模型.旋翼各构件建模相互独立,便于组成不同构型旋翼,适合于新构型旋翼气弹分析.分析模型集成了适合于旋翼气弹分析的隐式大变形桨叶模型,构件动力学方程增加了铰链动力学方程,统一约束方程形式,改进了角运动约束方程,避免连续旋转引起的奇点问题.应用分析模型计算无铰式旋翼和无轴承旋翼的气弹稳定性,分析结构参数对旋翼气弹稳定性的影响.分析结果表明模型能准确计算结构弹性变形的耦合及非线性,提高旋翼气弹稳定性分析精度.      

全机颤振风洞试验模型地面共振试验影响因素分析

为了排除地面共振试验过程中一些附加因素的影响,提高试验结果的准确性,通过建立数值仿真模型,分析了模型悬挂、传感器、激振杆等因素对地面共振试验结果的影响。结果表明:悬挂刚度越大,对模型固有振动特性的影响越显著;传感器附加质量主要影响舵面旋转频率,传感器布置越多,实测频率越低;激振杆在某些模态测试时会产生附加刚度的影响,从而提高实测频率。     

飞机全动平尾颤振特性风洞试验

高机动飞机全动平尾颤振设计的重要手段就是颤振模型风洞试验。针对一个飞机的全动平尾,采用了单独平尾和中央固支的后机身-平尾组合体两种方案的低速颤振风洞试验,研究平尾的基本颤振耦合机理以及后机身垂尾气动力干扰的影响。然后采用半模跨声速颤振风洞试验研究马赫数对颤振特性的影响和机翼干扰对平尾颤振边界的影响。介绍了低、高速颤振模型的设计和风洞试验的结果,并综合形成了完整的平尾颤振特性规律,尤其在跨声速颤振风洞试验中,使用不同超重系数的颤振模型,研究了质量参数对颤振边界的影响规律。风洞试验结果显示,全动平尾颤振特性研究必须考虑后机身的弹性支持,并且需要使用不同的模型方案考虑机身、机翼和垂尾的气动力干扰,跨声速风洞模型需要考虑超重系数的影响。该研究获得了全动平尾颤振特性的一般规律,可作为相关飞行器设计的参考。     

风洞试验模型舵机系统研制

提高试验效率一直是风洞试验的目标之一。介绍了中国空气动力研究与发展中心新研制的风洞试验模型舵机系统。地面调试与试验验证结果表明,新系统控制精度在满足国标要求的前提下,可大幅提高试验效率,降低能耗,具有很高的推广价值。     

Nonlinear flutter wind tunnel test and numerical analysis of folding fins with freeplay nonlinearities

The flutter characteristics of folding control fins with freeplay are investigated by numerical simulation and flutter wind tunnel tests. Based on the characteristics of the structures, fins with different freeplay angles are designed. For a 0° angle of attack, wind tunnel tests of these fins are conducted, and vibration is observed by accelerometers and a high-speed camera. By the expansion of the connected relationships, the governing equations of fit for the nonlinear aeroelastic analysis are established by the free-interface component mode synthesis method. Based on the results of the wind tunnel tests, the flutter characteristics of fins with different freeplay angles are analyzed. The results show that the vibration divergent speed is increased, and the divergent speed is higher than the flutter speed of the nominal linear system. The vibration divergent speed is increased along with an increase in the freeplay angle. The developed free-interface component mode synthesis method could be used to establish governing equations and to analyze the characteristics of nonlinear aeroelastic systems. The results of the numerical simulations and the wind tunnel tests indicate the same trends and critical velocities.     

Hypersonic flutter and flutter suppression system of a wind tunnel model

The aeroelastic behavior of a thin flat rudder model was numerically simulated and experimentally investigated in a hypersonic wind tunnel. In particular, a flutter suppression system taking advantage of collision within small gaps was proposed and a novel system for the flutter simulation of the whole nonlinear aeroelastic system including the flutter suppression system was developed. First, the critical flutter dynamic pressure of the rudder without the flutter suppression system was calculated with different methods. Then, the whole nonlinear aeroelastic system, including theflutter suppression system, was simulated to design the gap size. Finally, the flutter suppression system was experimentally validated in a hypersonic wind tunnel operating at Mach number 5. The typical phenomenon of Limit Cycle Oscillation(LCO) was observed, avoiding the structural failure of the model and the consistency between numerical and experimental results was demonstrated.The proposed suppression system can improve the design and reusability of test models of hypersonic flutter experiments.     

亚跨风洞中舵面亚临界颤振试验

设计了舵面颤振试验装置,在亚跨超风洞中对展弦比2．0的NACA0012矩形舵面开展了颤振试验研究。试验马赫数范围为0．3～0．75。试验采用直接观测法获得舵面在不同质量特性条件下的亚声速和接近跨声速的颤振特性。同时还采用亚临界数据分析方法对试验的扭转应变信号进行了离线分析,即通过采用ARMA方法识别扭转应变信号的阻尼和频率,并通过阻尼外插得到颤振临界动压值。研究结果表明：该试验装置可以用于在现有亚跨超风洞中开展舵面颤振问题研究。当采集的亚临界信号为典型指数衰减信号时,以ARMA方法为基础的亚临界颤振试验技术可以稳定地识别出信号阻尼和频率,并较为准确地获得舵面的颤振临界动压、颤振频率等颤振参数。     

基于电磁干风洞的大柔性结构准模态试验研究

结构的频率是结构的重要动力学特性,对于飞行器来说,当机翼等大型结构在非定常气动力作用下发生变形时,其频率也会发生变化。本文介绍了一种地面电磁干风洞试验方法,利用电磁场和安培力实现气动力的模拟,在不接触模型的情况下对模型进行静动态加载。基于这种新的试验技术,建立了一种地面电磁干风洞实验方法,利用电磁场和安培力实现气动力的模拟,可有效实现对模型结构的非接触式静态和动态气动力跟随加载。利用该实验系统,研究了静动态条件下,结构质量、刚度分布对飞机内载荷的影响;结构变形对结构动力学特征的影响。结果表明,结构的弯曲变形会影响结构的弯曲和扭转频率,结构的质量和刚度分布会对结构内载荷产生较大影响。这种新的试验方法有利于研究大柔性结构的气动弹性特性,对新型飞机的设计和研制具有重要意义。     

风—车—桥系统车辆风荷载突变效应风洞试验研究

侧向风作用下,车辆通过桥塔或双车交会时车辆所受风荷载会发生突变,这将影响行车的安全性和舒适性。基于自主研制的移动车辆模型风洞试验系统,针对轨道交通车辆和公路交通车辆,分别采用三车模型和单车模型测试了车辆通过桥塔和双车交会时车辆风荷载的突变过程,讨论了风速、车速、车辆所处轨道位置及车辆类型等因素对车辆气动力系数的影响。研究表明车辆运行于桥塔区域及双车交会时,车辆三分力系数均有不同程度的突变趋势;车辆运动引起的列车风使车辆阻力系数的突变程度减弱,使桥塔遮风效应的影响区域变长;公路交通车辆风荷载突变效应较轨道交通车辆的要明显;双车交会时,背风侧车辆风荷载急剧减小,迎风侧车辆三分力系数变化较平稳。