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。     

边条翼布局双垂尾抖振表面脉动压力风洞实验研究

对边条翼布局双垂尾发生抖振时的表面脉动压力进行了风洞实验研究。实验在西北工业大学NF-3风洞进行。实验迎角范围:10°~40°,风速:50m/s。实验测量了垂尾内外侧表面各9处的脉动压力,并将脉动压力沿表面积分近似得到垂尾的根部弯矩响应。实验同时测量了垂尾根部应变、翼尖前缘及后缘的加速度响应。实验结果表明,通过不同测量方法得出的垂尾抖振响应规律一致,得到的垂尾抖振起始迎角相同,这表明垂尾的抖振响应是由边条涡破裂流作用在垂尾表面的脉动载荷引起的;随迎角增大,边条涡破裂流的能量不断增加,且越来越集中于低频范围,但当迎角过大时,边条涡的破裂点远离垂尾,破裂涡的能量耗散很大,从而作用在垂尾表面的脉动载荷减弱。     

斜拉桥拉索风雨激振理论模型和机理研究

斜拉桥拉索风雨激振的机理研究是国际风工程和桥梁工程领域的著名难题。本文设计、制作了可方便调节拉索模型倾角和风向角的试验装置以及用于测压试验的带人工雨线的拉索模型,并在风洞中进行了细致的试验。试验得到了具有典型倾角的拉索在不同风向角下,拉索和水线模型上的平均风压和脉动风压系数,以及气动力系数。在此基础上,建立了拉索风雨激振新的理论模型,计算分析了节段三维拉索的风雨激振响应及其机制。     

4m×3m风洞无人机模型振动抑制系统研制

在4m×3m低速风洞大展弦比无人机试验中,出现了纵向大振幅振动问题.通过试验观察和支撑系统的有限元计算,在不破坏风洞结构和不改变原模型姿态角变化范围的条件下,气动中心低速所研制了一套抑振装置.该装置成功应用于多个无人机型号试验,有效地抑制了纵向大振幅振动,提高了大展弦比无人机低速风洞试验数据的精准度.     

水平力下板柱结构等代梁等效宽度系数的研究

指出了水平力作用下板柱结构的等代梁应是变截面梁,与柱相交处的等代梁宽度比跨中的小;同时按刚度相等原则,给出了折算成等截面等代梁宽度的计算方法。提出了影响等代梁等效宽度系数的主要因素为受扭构件的抗扭刚度与板的抗弯刚度的比值,并通过弹性有限元分析,给出了以这个比值作为参数的板柱结构内框架和边框架等代梁等效宽度系数计算公式。     

涡扇发动机风扇转子叶片多工况动应力响应特征研究

针对涡扇发动机整机试车中风扇1级转子叶片出现危险的高频振动应力问题,为了摸清风扇叶片振动特性,评估振动风险,在风扇部件性能试验中制定了风扇1级转子叶片的动应力测试方案,试验获取了不同可调进口导叶角度、不同压比和不同堵塞比状态下的叶片振动应力响应特征。测试结果表明：风扇叶片存在由可调进口导叶尾流激励激起的共振,振动应力随着导叶角度的增大而增大。逼喘过程中,随着压比增大,在偏离共同工作线后风扇1级转子叶片存在非整阶次激振因素引起的危险振动应力;随着转速升高,共振响应区域向喘振边界靠近,强度储备偏低。随着畸变指数的增加,该共振应力先增大而后再大幅降低。试验结果为分析整机试验中风扇强度储备不足的问题提供了依据。     

考虑系统参数和载荷不确定性的声振分析

为了准确描述随机性对声振系统响应的影响，本文基于单位分解有限元/有限元法和直接概率积分法实现了精确高效的随机声振分析。本文首先通过在声振耦合界面划分虚拟单元、实施坐标变换和引入精确积分方法，发展了新型单位分解有限元/有限元方法。然后将新方法的单元内捕捉波形信息的能力强、系统矩阵规模小、易于处理复数矩阵等优势和直接概率积分法需要重复计算的特点相结合，构建了精确高效的随机声振分析方案。数值算例分析表明，所提方案得到的统计特性均和蒙特卡洛模拟吻合很好，其能够进行可靠的随机响应分析。     

航空发动机中央锥齿轮声振特性试验研究

航空发动机锥齿轮声振特性的确定对于锥齿轮的研制具有重要意义。为研究航空发动机中央锥齿轮的声振特性，根据齿轮声振信息辨识原理，利用声导管技术在齿轮部件试验器中获取原始空气声。分析发现，啮合频率幅值的变化能够对齿轮行波共振特性实现完全表述，不仅可反映从动轮的声振特性，同时也能反映主动轮的声振特性，边频信息则反映了齿轮的故障信息。与应变片测量结果和设计计算结果对比分析证明，声学测试是获取齿轮声振特性的有效方法。     

中央开槽箱梁颤振非线性特性和振动分叉现象及其机理

为探究超大跨度缆索承重桥梁在大攻角范围内的颤振稳定性，通过节段模型风洞试验对中央开槽箱梁在风攻角±10°范围内的颤振非线性特性和振动分叉现象及其机理进行了研究。结果显示：当风攻角为-2°～10°时，节段模型系统未发生颤振；当风攻角为-3°和-4°时，观察到了含振动分叉的非线性颤振现象，且起振幅值随风速的增加而减小；当风攻角为-5°～-10°时，颤振无需人工激励就会自动发生。两种非线性颤振均为弯扭耦合颤振，并最终做极限环振动。非线性颤振的起振风速随着负攻角的增大而减小，耦合程度随着折减风速的增加而增加。系统等效阻尼比-振幅曲线可以很好地解释非线性颤振机理，曲线的零点为系统平衡点，其中斜率为正的零点为稳定平衡点，对应稳态振幅；斜率为负的零点为不稳定平衡点，对应起振振幅。对于含振动分叉的非线性颤振，系统存在一个稳定平衡点和一个不稳定平衡点；而对于无需人工初始激励的非线性颤振，系统只有一个稳定平衡点。     

星载晶振短稳对导航增强系统PPP精度的影响分析

分析星载恒温晶振（Oven Controlled Crystal Oscillator，OCXO）短稳对导航增强系统精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）精度的影响。本文首先介绍了OCXO短期频率稳定度的概念，然后根据其短稳特性进行噪声反演，最后建立了基于OCXO短稳噪声反演的系统PPP定位模型，将短稳量级不同的OCXO反演噪声引入模型并对系统最终PPP定位精度进行分析比较。实验表明：在无控制段调校星上时频的情况下，选用短稳量级为E-13的OCXO在中长观测时间段内（<1 000 s）可满足系统厘米级的定位需求。该分析可为低轨导航增强系统的时频指标设计提供一定参考。