基于CFD/CSD耦合的颤振与动载荷分析方法

采用CFD/CSD耦合方法,建立了气动弹性仿真系统。基于系统辨识的方法,使用Volterra级数建立了降阶模型(ROM),实现了颤振边界的快速求解,分别使用CFD/CSD全耦合方法与ROM完成了AGARD 445.6标模的颤振分析,计算结果与实验相符较好。使用ROM完成了带边条平直翼的颤振分析。使用CFD/CSD耦合方法计算了此机翼在飞行动压下的气弹响应,结果表明即使在颤振边界内,仍然有可能出现极限环振荡（LCO）。对此,分析了其气弹响应中的动载情况。结果表明基于CFD/CSD耦合的方法可以真实地仿真气弹响应过程,准确地分析气弹响应中的动态载荷情况     

基于CFD/CSD耦合的声气动弹性时域仿真

传统的声振环境,只考虑了给定声场环境下的结构响应分析,这个给定的声场孤立于结构本身,忽略了声场、结构、流体的耦合效应,因此声气动弹性耦合这种多力学场的研究具有重要意义.基于此,提出了一种基于CFD/CSD 耦合的声气动弹性数值仿真策略,相比传统的声振环境预示方法,该方法考虑了声载荷(脉动压力场)与结构的耦合关系.该文首先采用有限体积法离散Euler方程,对二维的NACA0012 翼型进行求解,来验证非定常气动力的准确性.然后通过CFD/CSD 耦合计算三维AGARD445.6 机翼的非定常气动力,在时域内推进结构运动方程,得到弹性响应的结构历程,记录每一时刻的气动载荷,并运用声气动弹性分析的思想对机翼表面的声压级进行计算,证实了声气动弹性分析方法的可行性.     

ABC 共轴直升机旋翼/机身耦合振动响应分析

前行桨叶概念（Advanced Blade Concept, ABC）共轴直升机具有较大的振动问题,为研究振动机理,建立了ABC 共轴旋翼/机身耦合气动弹性模型,其中桨叶采用有限元梁模型,机身采用精细有限元模型。为提高耦合模型的气动弹性响应分析精度,结合传统 CFD/CSD 耦合分析方法与自由尾迹,提出了 CFD/CSD/自由尾迹耦合计算方法,解决了传统方法的尾迹耗散问题,并保证了计算效率。基于此方法建立了 ABC 共轴直升机旋翼/机身耦合气弹响应分析方法。以样例 ABC 共轴直升机为研究对象,总结了重点位置振动响应随前进比和旋翼交叉角的变化规律,并得出了一些有意义的结论。     

弱耦合算法的实现及其应用

介绍了一种求解流固耦合问题更有效的方式即弱耦合技术,将计算结构动力学(CSD)和计算流体动力学(CFD)联合起来。CSD通过计算结构位移用来指定流体域的固体边界范围,而CFD计算用来定义作用在CSD上的荷载。荷载和位移的传递分别采用守恒和非守恒插值方法,详细介绍了其插值的实现过程。这种流固耦合算法是一种对整个问题进行离散化后,采用迭代求解方法的处理复杂的流固耦合问题的数值模拟方法。最后通过对一轻柔膜结构和风荷载的流固耦合问题的求解,表明了这种方法通过耦合CFD和CSD程序,提供了一种便利的、有效的耦合问题求解方法。     

基于CFD/CSD耦合的二维壁板颤振特性研究

该文基于CFD/CSD(计算流体动力学/计算结构动力学)耦合方法,在时域内对二维壁板的颤振进行了分析.采用D'Alembert原理和有限元方法,建立了壁板在超声速流作用下的非线性动力学模型.采用Von Karman非线性应变位移关系来描述结构大变形,用Euler方程计算了非定常气动力.应用载荷参数空间插值传递方法,实现...     

热声载荷作用下金属薄壁结构的振动响应与试验验证EI北大核心CSCD

针对航空航天薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应问题,基于声振耦合理论,采用耦合的有限元/边界元法对四边固支高温合金矩形薄壁结构进行了动力学响应计算。重点研究了薄壁结构在行波加载与扩散场加载条件下的振动应力/应变响应规律,讨论了温升对结构振动响应的影响规律,分析了薄壁结构热屈曲(Thermal-buckling)和跳变(Snap-through)响应特性。通过将薄壁结构在不同温度条件下的振动模态以及动态应变响应的仿真结果与热环境下的声激振试验结果进行对比,表明计算的基频量值及随温度的变化关系与试验结果获得较好的一致性,计算的应变响应与试验测试结果量值相当,验证了热声响应计算方法与模型的有效性。该研究提出的金属薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应计算方法及分析结论对进一步开展热声疲劳寿命预测及动强度设计提供依据。     

基于CFD/CSD耦合的超声速舵面动载荷计算

该文分析了超声速气动控制舵面在瞬态气动载荷作用下的位移及应力的时域变化.采用基于Volterra级数的气动弹性系统降阶模型快速获得了舵面的颤振边界.通过CFD/CSD耦合计算,确定了舵面在颤振速度下的瞬态气动载荷,并利用参数空间下的有限元四结点方法将每一时刻的气动载荷插值并施加到结构结点上,进行了瞬态响应分析,得到了舵...     

跨音轴流风扇叶片气弹稳定性研究

基于弱耦合的能量法原理,对近失速工况下NASA 67跨音风扇叶片进行了气弹稳定性分析。本文发展的三维线性插值方法为CSD/CFD数据交换提供了基础。采用FLUENT动网格技术,实现了振动叶片绕流计算。数值模拟了NASA 67叶片前三阶模态振型激励下的非定常气动响应。通过分析叶片表面非定常气动力和振动位移之间的相位差发现：该相位差的存在决定了非定常气动力做功的正、负。由叶片表面非定常压力分析结果得出近失速工况下,叶片的气动弹性稳定性受叶片模态振型和激波的影响较为显著。     

基于双向流固耦合的机载导弹分离动力学研究

导弹与载机之间的安全与稳定分离过程对导弹飞行稳定性和载机安全具有非常重要作用。为了研究大长径比机载导弹弹射分离过程中与载机之间的相互干扰以及导弹在分离过程中相对于载机的运动轨迹,该文分别使用刚体六自由度（6DOF）方法和计算流体力学/计算结构动力学（CFD/CSD）双向流固耦合方法对典型空空导弹发射分离过程进行了数值模拟,刚体6DOF方法基于对流体力学控制方程与外弹道6DOF运动方程的耦合求解,而CFD/CSD双向流固耦合方法基于对流体力学控制方程与结构运动方程的耦合求解。两种方法得到了导弹分离时的整个气动流场及其变化特性,揭示了不同时刻导弹气动系数随时间的变化曲线和导弹弹道参数,比较与分析了两种计算结果的异同,并对导弹结构弹性变形对其分离运动的影响进行了讨论。     

时域CFD/CSD耦合方法能量精度分析及应用

研究两类时域计算流体力学/计算结构力学（CFD/CSD）耦合方法：串行分区方法和并行分区方法。从耦合界面能量守恒的角度分析不同耦合方法对能量守恒误差的影响。在非同位方法和并行分区方法的基础上提出非同位并行分区方法。使用不同的耦合方法,对二维气动弹性算例Isogai Wing进行计算,结果表明减小耦合界面上的能量守恒误差可以有效的提高计算精度,效率高于紧耦合方法;非同位分区方法的能量守恒误差小于同位分区方法,并且可以使控制方程满足界面连续条件;非同位并行分区方法继承非同位分区方法和并行分区方法的全部优点,采用该方法计算颤振边界,和文献结果吻合。     

弹性机翼静气动弹性数值研究

基于计算流体力学/计算结构动力学(CFD/CSD)单向流固耦合计算方法,对0.4~1.6之间8种马赫数下大展弦比HIRENASD(High Reynolds Number Aero-Structural Dynamics)机翼进行了静气动弹性数值研究。通过求解基于结构化网格的三维可压N-S方程得到了机翼的气动特性,对气动载荷作用下的机翼进行结构响应分析,得到了机翼在流固耦合作用下的位移和应力等参数,结果表明机翼翼尖位移和机翼最大应力在音速前后发生了突变。可为相关大展弦比机翼的设计与分析提供参考。     

热声载荷作用下金属薄壁结构的振动响应与试验验证

针对航空航天薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应问题,基于声振耦合理论,采用耦合的有限元/边界元法对四边固支高温合金矩形薄壁结构进行了动力学响应计算。重点研究了薄壁结构在行波加载与扩散场加载条件下的振动应力/应变响应规律,讨论了温升对结构振动响应的影响规律,分析了薄壁结构热屈曲(Thermal-buckling)和跳变(Snap-through)响应特性。通过将薄壁结构在不同温度条件下的振动模态以及动态应变响应的仿真结果与热环境下的声激振试验结果进行对比,表明计算的基频量值及随温度的变化关系与试验结果获得较好的一致性,计算的应变响应与试验测试结果量值相当,验证了热声响应计算方法与模型的有效性。该研究提出的金属薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应计算方法及分析结论对进一步开展热声疲劳寿命预测及动强度设计提供依据。     

流体激励下泵喷推进器声振耦合响应数值分析

泵喷推进器由导管、转子和定子组成,它具有推进效率高的优势,但其在流体的作用下也易产生剧烈的结构振动并辐射噪声,削弱水下舰船的声隐身性能。为了解流体激励下泵喷推进器的动态特性,首先通过基于大涡模拟的计算流体力学(CFD)仿真计算,得到推进器的非稳态流场,提取泵喷推进器关键结构表面的脉动压力,并将此流体载荷作为推进器声振耦合分析的激励源;然后,建立泵喷推进器水下结构声振耦合系统的有限元/边界元模型,分析流体激励下结构的振动位移响应和辐射声场分布;最后,讨论不同进速系数对于泵喷推进器水动力性能和声振耦合响应的影响。仿真分析的结果可以为典型结构泵喷推进器的减振降噪设计提供一定的依据。     

一种跨音速伺服气动弹性分析方法

基于CFD技术,运用系统辨识方法,建立了基于模态坐标的跨音速气动力降阶模型(ROM)。耦合气动状态方程、结构状态方程和伺服状态方程,建立了一个适合跨音速伺服气动弹性分析的数学模型。算例首先通过对比基于ROM技术的分析结果和直接仿真结果,以证明该模型的正确性和精度。在保证精度的同时,其计算效率比直接耦合CFD技术的仿真方法高1个～2个数量级。算例还研究了传感器安放位置和结构陷幅滤波器对该导弹伺服气动弹性特性的影响,结果显示结构陷幅滤波器的引入可以显著地降低开环气动弹性系统和控制系统的耦合。     

基于结构动力学方法的气动弹性分析

摘 要：对于气动与弹性的耦合模型,给出气动力的频域公式,并表示成有理多项式,通过等价的变换,能够推导出与结构动力学方程完全相似的、关于求解变量的二阶常微分方程组。于是,可以在计算结构动力学框架下实现气动弹性问题的分析和计算。此方法将通用计算结构动力学程序的功能与试验或数值分析得到的气动力模型相结合,简化了气动弹性的耦合分析、提高计算效率。     

一种高超音速热气动弹性数值研究方法

基于热气动弹性的特点,采用松耦合方法建立气动弹性仿真模型。将该问题的求解分解成四步,即气动热的计算、结构的温度分布计算、热结构计算和气动弹性计算。研究了给定温度分布热效应下的气动弹性问题。运用非耦合热-结构分析方法,考虑热应力引起的附加刚度,得到热环境下的结构分析有限元分析模型,并计算了两种典型高超音速翼面的热结构。运用基于CFD技术的当地流活塞理论计算高超音速非定常气动力。在时间域内实现了高超音速热气动弹性的仿真。分析了温度和结构支持方式对热气动弹性系统的不同影响。     

复杂工况下的大型风力机气动弹性响应和尾迹数值分析研究

在复杂工况下,大型风力机受到载荷更加严重,导致风力机气动和结构耦合响应问题更加明显。本文主要针对稳态偏航、动态偏航、风剪切和随机风速场等复杂工况,采用非定常自由涡尾迹方法计算尾迹形状和气动载荷,加入了复杂工况的模型,进行了动态失速模型和三维旋转效应模型修正。在考虑气动载荷、惯性载荷和重力载荷影响下,采用有限元法结合模态法建立起风力机解耦动力学方程,并且通过Newmark方法进行数值求解该方程。实现了复杂工况数值模拟计算,比较不同复杂工况的气动弹性响应结果。最后,得出大型风力机在复杂工况下的气动性能、载荷、动态响应和尾迹叶尖涡线特性,并计算出风力机在复杂工况下的迟滞时间。这为推进自由涡尾迹方法应用于大批工况载荷计算,以及提高大型风力机载荷计算精度和设计水平等具有重要意义。     

基于三维气动力的静气动弹性响应分析

提出了一种适用于飞行器初步设计和详细设计阶段的静气动弹性响应分析方法。基于该方法进行静气动弹性响应分析时三维气动力单独求解,再与结构进行耦合计算。在初步设计阶段气动力可选取由Euler方程、N-S方程或高阶面元法计算,详细设计阶段气动力可选取风洞试验气动力。该文对一大展弦比机翼进行了静气动弹性响应分析,算例中使用CFD...     

偏航状态下风力机塔架-叶片耦合结构气弹响应分析

提出一套快速预测偏航状态下风力机全机结构气弹响应的分析方法。以南京航空航天大学自主研发的5MW特大型概念风力机为例,建立风力机塔架-叶片耦合模型获取模态信息;采用谐波叠加法和改进的叶素-动量理论计算气动荷载,并考虑了偏航角对诱导速度的影响;再运用模态叠加法求解风力机耦合动力学方程,通过迭代循环更新叶片速度和气动力,对风力机塔架-叶片耦合结构进行气动载荷和气弹响应计算,并通过参数分析归纳出偏航角和气动弹性对风力机全机动态响应的影响规律。研究结论可为此类特大型风力机塔架-叶片耦合结构的抗风设计提供科学依据。     

旋翼/机身耦合问题的CFD/CSD分析方法

提出了一种高精度的直升机旋翼/机身耦合系统振动响应分析方法。通过非定常Euler/N-S方程与准定常气动力相结合的方法来进行弹性旋翼流场分析,利用CSD软件建立精细的机身三维结构有限元模型,用15自由度非线性中等变形梁单元来建立旋翼动力学模型,最后采用带配平的松耦合迭代方法求解系统响应。以某小型直升机为例,分析了悬停状态下机身典型位置的振动响应,计算结果与实验值吻合良好。研究了前飞速度和机身弹性运动对机身振动水平的影响,结果表明,在小速度和大速度前飞时,机身振动响应随前飞速度的增加而增大;在中等速度段,机体振动水平则基本保持不变。