考虑气动力非线性时二维受热壁板的颤振分析

考虑了气动力非线性,采用三阶活塞理论计算气动力,基于Von Karman薄板理论建立了超音速气流中二维受热薄板的气动弹性方程。采用Galerkin方法在模态空间对方程进行了离散,分析了气动力非线性对壁板热屈曲和颤振幅值的影响,采用Lyapunov间接法分析了受热壁板的稳定性,并确定了壁板颤振边界。采用数值积分方法在时域...     

振荡激波作用下受热壁板主共振特性分析EI北大核心CSCD

冲压发动机内部的激波串往往存在振荡特征,研究振荡激波作用下受热壁板的主共振特性对结构安全性具有重要指导作用。基于Von-Karman大变形理论和当地活塞流理论,采用Galerkin方法建立了振荡激波作用下壁板振动的动力学模型,通过龙格-库塔法对非线性动力学方程进行数值计算获得系统非线性振动响应,发现受热壁板在振荡激波作用下存在振动突跳和双稳态现象等典型的非线性动力学行为,并分析了振荡激波强度、激波振荡幅值、温度、激波振荡的中心位置、来流马赫数对系统振动突跳和双稳态特性的影响。结果表明:随着振荡激波强度、激波振荡幅值和来流马赫数增大,系统共振峰值不断单调增大,而双稳态区间由不存在先变宽、再变窄直至消失,然后再急剧变宽;温度增大会对系统产生“刚度弱化效应”;将激波振荡的中心位置向壁板两端移动可有效地降低系统共振峰值并抑制振动突跳和双稳态现象。     

强噪声作用下复合材料壁板气动弹性摩擦非线性振动

基于von Karman非线性应变、Reddy三阶剪切锯齿理论和准稳态一阶活塞理论建立了强噪声载荷作用下含摩擦边界复合材料壁板的气动弹性非线性动力学有限元数值计算模型,采用高斯限带白噪声和宏观黏滑摩擦模型分别来描述噪声载荷和层合壁板边界的非光滑摩擦力特性,应用时域直接积分Newmark-β方法结合Newton-Raphson迭代法求解了声载荷和气动载荷联合作用下壁板的非线性振动响应,研究了声载荷和摩擦边界对壁板颤振特性的影响。结果表明,摩擦边界上的滑移运动可耗散层合壁板的振动能量,对壁板的振动响应产生抑制作用;在强噪声和气动载荷作用下,壁板的振动会呈现出由气动载荷主导下的极限环振动和强噪声载荷主导下近似服从正态分布的随机振动。     

壁板边界松驰下颤振非线性动力特性分析

采用分离变量法和伽辽金法建立三维壁板的非线性气动弹性运动方程,用一阶活塞理论模拟壁板所受的气动力,分析了壁板的颤振边界及稳定性,进而取边界松弛因子,动压和面内力为分叉参数,研究壁板颤振时的分叉及混沌等复杂动力学特性。计算结果表明：边界松弛下壁板颤振系统表现出丰富的动力学行为,其分叉特性很复杂。随着边界松弛因子的增大, 静态稳定区域缩小,而屈曲和混沌区域增大,系统稳定性降低。     

超音速气流中二维壁板的非线性热颤振响应分析

基于yon Karman非线性板理论和Galerkin方法建立超音速气流中二维受热壁板的气动弹性模型.采用一阶活塞理论计算准定常气动力.并在稳态假设下将均匀温度场中两端简支壁板的热应力计入气动弹性方程中.当壁板发生静态变形时,根据欧拉公式推导了受热壁板的屈曲临界条件,并应用牛顿迭代法求解了受热壁板的大挠度后屈曲变形.在壁板的后屈曲平衡态上应用李雅普诺夫间接法分析了壁板的热颤振稳定性,并确定了受热壁板的颤振边界.采用数值积分方法在时域中求解了受热壁板的非线性颤振响应,根据响应的相轨迹图并结合李雅普诺夫指数,来判断非线性颤振是周期性振荡还是混沌振荡,确定受热壁板发生混沌型颞振的边界.研究发现,当气流速压较高且系统不存在稳定的平衡态时,受热壁板会发生周期型颤振或者混沌型颤振;当气流速压较低且系统同时存在多个稳定的后屈曲平衡态时,壁板可能发生二次失稳型颤振.     

振荡激波作用下壁板的非线性动力学特性分析EI北大核心CSCD

冲压发动机内部的激波串往往存在振荡特征,揭示此种状态下壁板的气动弹性特性对结构安全性具有重要指导作用。基于vonKármán大变形理论和当地一阶活塞流理论,采用Galerkin方法建立了振荡激波作用下壁板的非线性动力学方程,通过龙格⁃库塔法对非线性动力学方程进行数值积分求解,在不同的系统参数(即激波强度、激波振荡幅值以及振荡频率)下,取来流动压为分岔参数,研究壁板在振荡激波作用下的分岔及混沌等复杂动力学特性。计算结果表明:与激波位置固定情况相比,壁板在振荡激波作用下表现出更加丰富的动力学行为,其分岔特性更加复杂。极限环幅值随着激波强度和振荡幅值的增大而增大。激波的振荡容易激发出混沌运动,并且通往混沌的道路为准周期道路。激波强度的增大不会改变通往混沌的道路,而当激波振荡幅值大幅度提高时,不仅混沌区域显著增大,通往混沌的道路不再是准周期道路,而是经历更为复杂的过程进入混沌。     

采用等效刚度有限元模型的复合材料机翼颤振分析

采用等效刚度方法,研究了一种适用于机翼初步设计阶段的动力学和颤振分析的结构有限元模型。该方法首先计算不同布局形式的加筋壁板的刚度矩阵,然后将其赋予与加筋壁板平面形状相同的光板（等效板）上,使加筋壁板和等效板具相同的力学性能。该方法的优点是避免了加强筋的有限元建模,从而使有限元模型的复杂程度大大降低,但同时等效刚度结构有限元模型仍能反映机翼加筋壁板的结构特性。以某客机概念方案的机翼为例,建立了反映实际结构详细有限元及其等效刚度有限元模型。计算结果和对比分析表明,两种模型的固有频率、振动模态和颤振分析结果吻合得很好,从而验证了等效刚度方法在机翼结构动力学和颤振分析方面的准确性。由于该方法具有简单快速和准确的优点,可用于机翼初步设计阶段对颤振特性的评估。     

密肋壁板结构简化计算模型对比分析

提要:密肋壁板结构中多种材料及构件的使用与嵌套,使实体计算模型比较复杂,在结构计算中需要提出简化计算模型。结合课题组前期研究成果及现代高层结构计算理论,提出密肋壁板结构弹性阶段简化数值模型与解析模型。利用前期1/10比例振动台试验研究结果,采用刚架-复合弹性板模型对结构进行时程分析,并验证简化数值模型的正确性;利用解析模型和数值模型对实际工程进行对比分析,验证解析模型的合理性。理论与试验表明：采用刚架-复合弹性板模型作为密肋壁板结构在弹性阶段的数值模型具有一定的理论依据和可行性;提出的框架-复合墙模型作为密肋壁板结构在弹性阶段的解析模型较为合理,为实际工程提供了一种较为简化、实用的手算解析方法。     

基于统计能量理论的飞行器壁板高频声振疲劳寿命预报及参数设计

为研究高速飞行器受高频脉动噪声载荷激励下的结构声疲劳问题,讨论了基于应力谱的频域疲劳损伤计算方法。该文提出了一种基于统计能量理论（SEA）的结构高频随机振动疲劳寿命计算方法。在该方法中,首先采用SEA计算子系统的均方应力,然后引入模态间隔的Rayleigh和Poisson分布假设,生成飞行器壁板的随机模态空间并构建危险点的应力谱曲线,进而结合频域疲劳寿命分析方法,采用Monte Carlo模拟求解壁板的疲劳寿命。验证分析表明,基于SEA和Monte Carlo模拟的结构高频声振疲劳寿命分析方法计算精度高,是高速飞行器强度设计的一种可靠方法。在此基础上,考察了壁板厚度和结构阻尼参数对壁板声振疲劳寿命的影响,计算结果表明,当输入声压谱一定时,存在局部最优解,采用该局部最优解作为壁板的设计参数可明显降低结构质量。     

连接局部迟滞非线性的时频域动力学降阶方法

针对连接结构时域和频域的非线性振动问题,提出一种基于局部非线性转化的动力学降阶方法。采用Newmark法和多谐波平衡法分别将时域和频域的非线性动力学方程转化为非线性代数方程组,将整体结构的非线性动力学响应降阶到仅与连接非线性相关的自由度上进行求解,通过减小迭代过程中Jacobian矩阵的维数来提高计算效率。采用Iwan模型描述连接界面的局部迟滞非线性,利用三自由度质量弹簧振子和连接梁结构研究非线性动力学分析方法的计算精度和效率。结果表明,本文建立的降阶方法预测的非线性动力学响应与现有的未降价方法吻合较好,提出的非线性动力学降阶方法能够有效地减少迭代过程的计算耗费,提高计算效率,时域方法约提高30%,频域方法提高近70倍。     

Stabilization of projection‐based reduced‐order models

A rigorous method for stabilizing projection‐based linear reduced‐order models without significantly affecting their accuracy is proposed. Unlike alternative approaches, this method is computationally efficient. It requires primarily the solution of a small‐scale convex optimization problem. Furthermore, it is nonintrusive in the sense that it operates directly on readily available reduced‐order operators. These can be precomputed using any data compression technique including balanced truncation, balanced proper orthogonal decomposition, proper orthogonal decomposition, or moment matching. The proposed method is illustrated with three applications: the stabilization of the reduction of the Computational Fluid Dynamics‐based model of a linearized unsteady supersonic flow, the reduction of a Computational Structural Dynamics system, and the stabilization of the reduction of a coupled Computational Fluid Dynamics–Computational Structural Dynamics model of a linearized aeroelastic system in the transonic flow regime. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

A 3D implicit unstructured-grid finite volume method for structural dynamics

In this work, a new vertex-based finite volume method (FVM) using unstructured grids and cell-based data structure is proposed for computational analysis of two-and three-dimensional (2D/3D) general structural dynamic problems. The governing equations are spatially discretized by the FVM and an implicit dual time stepping scheme is employed to integrate the equations in time. The proposed method is applied to calculate deformations and dynamics of 2D and 3D cantilevers, as well as simply supported and clamped square plates. Computational results obtained are found to agree well with analytical solutions. It can be a viable alternative to the traditional finite element method (FEM) for structural dynamic calculations. And it can be seamlessly integrated into FVM-based Computational Fluid Dynamics (CFD) solver for simulating fluid-structure interaction (FSI).     

Local Buckling Prediction for Large Wind Turbine Blades

Local buckling is a typical failure mode of large scale composite wind turbine blades. A procedure for predicting the onset and location of local buckling of composite wind turbine blades under aerodynamic loads is proposed in this paper. This procedure is distinct from its counterparts in adopting the pressure distributions obtained from Computational Fluid Dynamics (CFD) calculations as the loads. The finite element method is employed to investigate local buckling resistance of the composite blade. To address the mismatch between the unstructured CFD grids of the blade surface and the finite shell elements used during the buckling analysis, an interpolation code is developed, allowing mapping the pressure computed by using CFD to the finite element model. With the well documented National Renewable Energy Laboratory phase VI wind turbine blade, the procedure is demonstrated to be capable of yielding satisfactory results. Comparison with results obtained by using the blade surface pressure distributions calculated using a simple method is also conducted.     

Flux difference splitting for the Euler equations with axial symmetry

An approximate (linearised) Riemann solver is presented for the solution of the Euler equations of gas dynamics for axially symmetric flows. The method is Roe's flux difference splitting with a technique for dealing with source terms and incorporates operator splitting. Results for the problem of a converging spherical shock are presented. This work forms part of the research programme of the Institute for Computational Fluid Dynamics at the Universities of Oxford and Reading and was funded by A.W.R.E., Aldermaston under contract no. NSN/13B/2A88719.     

粘弹壁板非线性颤振滞后特性分析

分析了Kelvin粘弹力模型作用下二维壁板非线性颤振系统在分岔参数连续变化时的分岔特性以及滞后特性。采用von Karman大变形理论及Kelvin粘弹阻尼模型建立二维壁板动力学方程,采用线性活塞理论建立气动力模型。利用伽辽金法将壁板颤振模型转化为常微分方程组,分析了粘弹阻尼对系统稳定性的影响,并通过数值模拟研究分岔参数连续变化时该系统的分岔特性以及分岔参数的变化方向不同时该系统的滞后行为。计算结果表明,粘弹壁板颤振系统存在静止、屈曲、极限环、浑沌等复杂的运动形式,且存在明显的滞后现象。     

非线性分数阶微分振子的动力学研究

本文结合Zhang—Shimizu法与Newmark法，解决了二次非线性的Riemann—Liouville分数导数中奇异性问题，从而得到了非线性分数微积分求解的单步数值积分算法。在此基础上对某型非线性分数阶微分振子的动力学行为进行研究，分别讨论了振子自由振动及强迫振动下参数变化对振子非线性特性的影响。数值计算结果表明，该数值方法具有较好的稳定好，收敛速度快，精度较高，编程简单容易等优点。     

Numerical comparison of some explicit time integration schemes used in DEM,FEM/DEM and molecular dynamics

Discontinua simulations are becoming an important part of Computational Mechanics to the extent that Computational Mechanics of Discontinua is becoming a separate subdiscipline of Computational Mechanics. Among the most widely used methods of Computational Mechanics of Discontinua are Discrete Element Methods, Molecular Dynamics Methods, Combined Finite‐Discrete Element Methods, DDA, Manifold Methods, etc. The common feature of all these methods is time discretization of the governing equations and the resulting mostly explicit time integration schemes. A wide range of time integration schemes is available in the literature. In this paper a comparative study of some of the most commonly used explicit time integration schemes is made in terms of accuracy, stability and CPU efficiency. The study has been performed using numerical experiments based on a one degree of freedom mass‐spring system. The results are presented as charts that can be used when deciding which scheme to use for a particular discontinua problem. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

空间框架结构非线性分析的简化数值方法

钢筋混凝土框架结构正常使用期间是带裂缝工作的,合理的分析方法应考虑因开裂引起的非线性。在杆系结构有限元基础上,根据构件截面广义应力-应变关系,提出了空间框架结构非线性分析的简化数值方法——网格-等效截面法。该方法能考虑材料非线性,混凝土开裂导致构件有效刚度降低,混凝土徐变和加载历程等影响因素。给出了相应的实施步骤,并采用通用有限元软件ANSYS部分功能,自编主体计算程序的混合编程方法编制了程序。通过考题,程序编制方法正确,计算精度满足工程要求。最后,采用程序对荷载和温度作用下某超长框架结构进行了计算。     

弱非线性和不确定性对结构动力学分析的影响

局部连接引起的弱非线性和加工制造公差引起的参数变化不确定性是许多工程结构的常见现象。针对弱非线性和参数变化不确定性对结构动力学分析的影响进行了讨论,提出了一种通过恒位移和恒速度响应的振动试验进行非线性建模,并用统计分析来处理不确定性,建立尽可能精确的数学模型进行结构动力学分析的处理方法。仿真实例是在对美国Sandia国家实验室2006年提出的"结构动力学问题的模型确认挑战"研究的基础上,建立的具有非线性刚度和非线性阻尼以及参数变化不确定性的三自由度集中质量模型,仿真结果验证了方法的有效性。