高超声速飞行器结构热模态试验国外进展

高超声速飞行器在巡航/再入阶段受到严酷的气动加热效应,极高的温度及温度梯度,改变飞行器结构热物理参数和力学性能,导致结构弯曲、扭转刚度下降,颤振安全边界降低,影响飞行器结构的可靠性。热环境下的结构模态特性,作为反映气动加热对结构影响的重要参数,在指导、验证此类飞行器的设计中具有重要意义。20世纪中期以来,NASA Langley、Dryden等研究中心分别针对金属和复合材料壁板、X-15翼舵、X-34发动机喷管等结构开展热模态试验方法研究与试验验证,近期Dryden研究中心针对X-37方向舵开展热模态试验的探索研究。系统综述了国外开展的热模态试验方法、试验设施和试验结果,总结热模态试验中的工程问题和研究方向,对于国内热模态试验技术的发展、飞行器结构高温性能评估等均具有重要的指导意义。     

大柔性压电梁振动主动控制实验研究与数值模拟

采用独立模态控制法对含压电片柔性梁进行了振动主动控制实验研究,实现了压电柔性梁前三阶振动模态的独立控制。由施加控制前、后的系统响应对比分析知,实施主动控制后,柔性结构的模态阻尼得到了很大的改善,振动抑制效果十分显著。同时利用Hamilton原理,推导含压电片柔性梁的动力学微分方程,对压电柔性梁前三阶振动主动控制进行了数值仿真,并将仿真结果与实验结果进行对比分析,两者的吻合性良好。研究结果表明,利用压电陶瓷作为驱动元件,采用独立模态控制法实现柔性结构的振动抑制是一种非常有效的振动主动控制方法,在航空航天等领域中具有广阔的应用前景。     

基于拉格朗日方法的通气云状空泡三维非定常脱落特性研究

采用均相流模型并结合FBM湍流模型,对绕轴对称回转体通气云状空泡流动特性进行了三维数值模拟,基于实验结果对数值方法进行验证,同时利用基于拉格朗日体系的有限时间李雅普诺夫指数(FTLE)、拉格朗日拟序结构(LCS)和粒子追踪方法分析了其三维非定常脱落特性。研究结果表明:纵截面上空泡覆盖区域的拉格朗日拟序结构整体呈椭球状分布,内部为不规律的复杂拟序结构;不同横截面上拟序结构分布存在很大差异。空泡内部的非对称流动结构和周向流动导致空泡呈现很强的三维运动特性。反向射流在周向上推进的不同步性,是造成空泡呈现不规则断裂和大尺度U型空泡团脱落的主要原因。     

结构局部刚度变化对小卫星动特性影响

首先针对模块式小卫星动特性进行灵敏度理论分析，分析目标是寻找提高结构动特性的局部位置和参数。然后基于有限元法分析改变局部刚度对结构动特性的影响。小卫星结构动特性分析计算的主要问题是建立计算成本可控的有限元模型，本文详细讨论了小卫星有限元模型建模方法和简化途径，并通过7个算例考察改变模块底板局部刚度、改变适配器支撑刚度、模块问设置弹簧模拟阻尼器等对小卫星结构动特性的影响。灵敏度分析和计算表明，影响动特性的主要因素是模块盒底板刚度和星箭适配器的支撑刚度；增加模块局部刚度以及适配器支撑刚度可以屏蔽星体摆动和包带联结部位的某些频率，同时可以减缓部分中间模块的振幅；在部分模块间设置弹簧可以模拟阻尼器或减振器的效果。另一方面，降低适配器刚度可以增加隔振作用。因而优化模块刚度分布和支撑刚度分布是改进动力学性能的有效途径。本文分析为模块式小卫星动力学修改以及多功能结构设计和主动振动设计提供依据。     

挠性结构的约束模态及非约束模态解法

针对现代空间飞行器具有大型挠性附件的特点，使用约束模态和非约束模态分别进行求解，建立了带挠性附件的空间飞行器的约束模态模型，使得对挠性结构的控制成为可能。最后计算了几种情况的约束模态和非约束模态频率，验证了本方法的准确性和简便性。     

机翼前缘结冰对大飞机纵向模态特性的影响

结冰导致飞机气动特性恶化,进而影响飞行品质。针对机翼前缘结冰条件下飞机全包线范围飞行品质评估问题,提出了基于自适应拟配初值的等效系统拟配方法,构建了机翼前缘结冰构型,并通过数值模拟得到背景飞机机翼前缘结冰气动数据。建立了飞机系统模型,进行升降舵倍脉冲操纵,进而得到飞机的响应数据。分析数据特征计算了自适应拟配初值,在飞机全包线范围内干净构型及不同结冰严重程度条件下进行了等效系统拟配,获得了纵向短周期飞行模态特性参数,进而得出相应的飞行品质等级。仿真结果表明：结冰会对飞机模态特性造成影响,使得飞行品质降低,严重时可能导致飞行品质发生降级。     

涡桨飞机发展现状及关键气动问题

独特的动力形式赋予了涡桨飞机优越的推进效率和良好的低速机动、起降性能,使得其在军用及民用领域占有重要的地位并得以不断发展,但同时也带来了一系列需要重点关注的设计问题。本文从目前国内外涡桨飞机的发展现状和设计特点出发,提出其面临的主要气动问题。重点针对国内亟待发展的舰载类涡桨飞机起降过程中的失速和操纵问题进行深入研究,剖析了翼面附近流动的分离状态和发展趋势对于失速特性及操纵安全性的影响规律,归纳总结出需要关注的关键约束和设计原则。在此基础上,通过对一组计算实例的分析,给出了机翼空间流场变化特征和宏观气动力之间的内在联系,并深入阐述了三维增升构型与干净构型及其各站位翼剖面的设计关联性。     

过冷水滴凝固机理及凝固组织特征

针对飞机过冷水滴结冰的精细化预测需求,基于相变热力学与相变动力学相关理论,采用示差扫描量热法（DSC）、结冰风洞试验及微结构测试相结合的方法,研究了过冷水滴凝固过程的热力学机理及凝固组织特征。基于示差扫描量热法,研究了冷却速率及形核条件对结晶凝固特性的影响规律;基于结冰风洞试验开展了不同温度条件下冰相的宏观形貌及微结构特征研究。结果表明,过冷条件及冷却速率是影响过冷水滴结晶速率及结晶完善程度的重要因素。降温速率越大,结晶速率常数增大、结晶速率相应提高。同时,结晶峰变宽,结晶初始温度向低温方向移动,过冷效应相对显著;反之亦然。过冷度及冷却速率对冰相的宏观及微观形貌均有着重要影响。过冷度越大则相同时间内冷却速率越大,晶体生长过程越不充分,晶体不规则程度相对较高,同时晶粒密度变大、尺度变小,冰相表观透明度相对降低;反之,过冷度越小,则晶粒密度变小、尺度变大,冰相表观透明度相对较高。异相形核条件对加速结晶过程有重要促进作用,晶种的存在可有效加速二次结晶的触发,使过冷效应显著减弱。相关研究可为飞机结冰速率、冰相物理特征及冰形宏观形貌的精细化预测提供参考。     

温度对动态结冰微观结构特性影响定量分析

飞机结冰是动态冻结的过程,在微观上会形成类似多孔介质的孔隙结构,该微观结构直接影响结冰的物理特性,同时又因结冰条件的不同而呈现一定差异化。针对温度对飞机结冰微观特性定量影响这一难点问题,首先结合图像分割方法,提出结冰微观信息提取方法;其次,结合结冰微观形态的定量结果提出合理假设,建立结冰微观结构的三维数学模型,并提出计算密度的概念,以此作为衡量结冰内部孔隙分布特性的定量指标;最后,以风洞试验显微图像为对象,验证孔隙提取方法和微观结构数学模型的适用性与合理性,并开展了温度对孔隙分布和计算密度的定量影响研究,微观定量结果与宏观特性具有较高的一致性。本研究可以为结冰微观定量研究提供方法手段,为结冰物理现象及物理特性的深入认识提供定量依据。     

超声速混合层气动声场的数值模拟

超声速混合层的噪声是气动声学研究的经典问题,制约着航空发动机性能的提升。本文用数值方法对超声速混合层声辐射特性进行研究,具体方法:用抛物化稳定性方程(PSE)计算混合层近场大尺度扰动演化,结合一种基于渐进展开和稳定性分析的积分预测远场声压,得到快慢两种模态马赫波辐射的强度和方向。分析了上下侧来流温度对气动声场的影响,结果表明,上下侧温度比小于1时,慢模态占优;而上下侧温度比大于1时,快模态占优。