适用于非周期流固耦合问题的时间谱方法

针对非定常流固耦合设计、分析问题所面临的计算效率与精度、鲁棒性之间的矛盾,采取将Chebyshev谱方法与基于非定常面元和几何非线性梁有限元模型的流固耦合分析方法相结合的方式,建立了针对大展弦比机翼非定常流固耦合优化设计问题的,可与伴随方法相结合的时间谱方法。Chebyshev谱方法直接对流固耦合的控制方程进行处理,利用Chebyshev算子替换系统状态变量,将非定常问题转化为Chebyshev控制点处耦合的定常问题。通过这种方式建立的流固耦合时间谱方法具有较高的计算精度、效率和足够的鲁棒性。验证算例及Goland机翼颤振速度计算实例表明,Chebyshev谱方法的计算精度随着Chebyshev控制点个数的增加而不断增大。只需选取较少的控制点,Chebyshev谱方法便可以达到满足精度要求的计算结果。与此同时,建立的流固耦合时间谱方法不仅适用于周期性非定常问题还适用于非周期性非定常问题。     

模态选取对静气动弹性分析的影响

静气动弹性研究中关于结构的分析通常采用柔度法和模态法。相比技术成熟、计算量大的柔度法,模态法具有阶次低、求解快和便于试验验证的优点。但其作为近似的分析方法,在工程应用中需要一定的经验,尚缺乏模态选取的准则,该研究的目的是为模态法的工程应用提供模态选取的定量评价标准。针对某典型飞行器进行升降舵效率、副翼效率及气动导数弹性修正等分析,提出模态影响系数的概念来评估模态的选取对这些气动弹性分析的影响。结果表明,模态影响系数指标合理,能够反映模态选取对静气动弹性特性的影响,可以作为模态法中模态选取的定量评价指标。     

非线性壁板颤振分析

利用一种改进的计算流体力学与计算结构动力学(CFD/CSD)耦合方法研究了由气动和结构几何非线性引起的壁板颤振问题。在非定常气动力计算中,考虑了通量分裂格式、隐式时间推进方法和几何守恒律;二维和三维壁板的结构几何非线性建模则采用了有限元的协同旋转理论,并利用一种近似能量守恒算法求解结构的非线性响应。流场和结构求解器采用二阶松耦合方法联立求解,并将其应用于壁板在超声速、跨声速和亚声速的颤振计算中。当考虑结构几何非线性和气动非线性时,出现了典型的极限环振荡现象,并对颤振边界和极限环振荡幅度进行了对比分析。     

基于流固耦合的斜激波冲击作用下曲壁板气动弹性分析

采用自主发展的双向流固耦合求解器,研究了斜激波冲击作用下曲壁板的气动弹性响应特性。曲壁板的几何非线性大变形运动方程采用有限差分法求解,流体控制方程基于有限体积法求解,双向流固耦合采用交错迭代算法。计算结果表明:当动压小于临界颤振动压时,曲壁板表现出静平衡状态,且随着动压的增大,壁板变形的非对称性越明显。当动压大于临界颤振动压时,壁板振动位移先增大后减小,最终达到稳定颤振状态,且该极限环颤振并不关于初始位置正负对称的。同时,随着动压的增大,壁板颤振的正向峰谷值、负向峰谷值和振幅均逐渐增大,颤振频率则逐渐减小。壁板振动响应规律并不随着壁板弯曲高度的改变而单调递增或递减,较小的弯曲高度可以降低壁板颤振临界动压值,但是当弯曲高度进一步增大后,由于气动非线性特性增强,准周期无规则运动状态被激发了出来,临界颤振动压迅速升高。     

一种新的气动弹性鲁棒稳定性分析方法(英文)

Air vehicles undergo variations in structural mass and stiffness because of fuel consumption and the failure of structural components, which might lead to serious influences on the aeroelastic characteristics. An approach for aeroelastic robust stability analysis taking into account the perturbations of structural mass and stiffness is developed. Applying the perturbation method and harmonic unsteady aerodynamic forces, the frequency-domain linear fractal transformation （LFT） representation of perturbed aeroelastic system is modeled. Then, the robust stability is analyzed by using the structured singular value ,u-method. The numerical results of a bi-spar wing show its effectiveness and low computational time in dealing with the robust problems with mass and stiffness perturbations. In engineering analysis for solving aeroelastic problems, the robust approach can be applied to flutter analysis for airplane with the fuel load variation and taking the damage conditions into consideration.     

考虑机翼几何非线性的气动弹性建模与分析

大展弦比柔性机翼结构重量轻、气动效率高,广泛应用于高空长航时无人机(UAVs)。飞行过程中,这类机翼在气动力作用下发生大变形,线性结构模型不再适用,需要建立考虑几何大变形的结构模型。采用牛顿力学方法推导了考虑结构几何非线性的机翼结构动力学模型,该方法推导过程简洁、物理意义明确,可以与Hodges基于哈密顿原理的推导方法相互补充,相互验证。为了能够更准确地求解大展弦比柔性机翼的非定常气动力,建立了能够考虑机翼三维效应且适用于机翼空间大变形的非定常气动力模型。基于建立的非线性结构模型和非定常气动力模型,采用松耦合方法建立了非线性气动弹性模型,并通过算例验证了气弹模型的准确性。研究结果表明,大展弦比柔性机翼颤振速度对来流迎角和机翼的展长均较为敏感;当来流速度大于颤振速度时,由于几何非线性,机翼振动并未发散而是形成稳定的极限环振荡(LCO);随着来流速度进一步增加,机翼再次穿过临界稳定点,由不稳定系统变为稳定系统,直到随着速度的增加系统再次达到临界稳定状态。     

头部波系对气动舵颤振特性的影响研究

以分析头部波系对气动舵颤振的影响为目的,采用CFD/CSD耦合算法.在耦合中采用保形动网格策略保持弹身和舵面的几何外形.对单独舵面和舵身组合体计算发现:与单独舵面相比,舵身组合体颤振边界随马赫数升高下降更快;在Ma=7时,单独舵面尚未颤振而组合体中的舵面已颤振.其机理为头部波系对气动舵的影响:马赫数升高,头部圆锥激波内移,膨胀低压区缩小,舵面上激波和外流场的总影响区扩大,气动舵更易颤振.     

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。     

采用TRIP3.0模拟CHN-T1模型气动特性

采用TRIP3.0软件平台(TRIsonic Platform version 3.0),对第一届航空CFD(Computational Fluid Dynamics)可信度研讨会组委会提供的运输机标模构型(CHiNa-Transport,CHN-T1)进行了流动数值模拟。本文采用粗、中、细三套网格及百亿极细网格进行了网格收敛性研究;采用相应网格分别从气动特性、压力系数分布曲线、表面流态三个方面分析,研究了支撑装置、机翼静弹性变形以及雷诺数效应对CHN-T1构型气动特性的影响。数值模拟结果与试验结果有良好的一致性。数值模拟得到了网格收敛结果;支撑装置对力矩特性影响较大;机翼静弹性变形对气动特性影响较小;雷诺数效应对气动力特性影响较大。     

错频对叶片的气动弹性稳定性影响

采用求解动网格下的非定常可压缩Navier-Stokes方程模拟了振荡叶片下的气动弹性问题,研究了叶片的频率错频对叶片气动弹性稳定性的影响.通过数值模拟平面叶栅的气动弹性第10标准算例,验证了气动弹性的数值模拟方法,计算了不同叶片间相位角和折合频率下的气动阻尼系数,研究了叶片振动频率改变对叶片气动弹性稳定性的影响.计算结果说明:频率错频是提高气动弹性稳定性的有效方法,其主要作用是减小叶片间振动的耦合效应和叶片间相位角的影响,并且随着错频量增大叶片稳定性增强;通过模拟三维环形叶栅的气动弹性第4标准算例,计算了气动阻尼系数随错频量变化的规律,验证了错频量和气动弹性稳定性增强的规律.