基于Floquet理论的旋转风机叶片动力失速气弹稳定性研究

研究旋转风力机叶片动力失速气弹稳定性问题。叶片结构采用标量化的挥舞和扭转自由度耦合的振动运动模型,旋转风机叶片的气动力由Beddoes-Leishman失速模型来模拟,通过攻角在深度失速区域内的变化来计算出周期时变的非线性气动失速负载。在系统静平衡点附近对非线性气弹系统进行线性化,采用Floquet理论分析旋转叶片动力失速气弹稳定性,其结果得到系统时域响的验证。通过数值分析,揭示了挥舞扭转固有频率比和结构阻尼对颤振边界的影响。     

基于B-L气动模型的旋转水平风机叶片经典颤振稳定性分析

研究旋转水平轴风力机叶片周期时变气弹系统的经典颤振稳定性特性。叶片结构采用具有挥舞和扭转耦合的典型界面振动模型,引入Beddoes-Leishman气动模型为旋转叶片提供低攻角处周期时变的非定常气动力;为了研究颤振边界,利用标量风速和挥舞/扭转固有频率比对所建立的旋转叶片气弹模型进行变型。在此基础上,通过时域响应曲线分析旋转叶片挥舞自由度和扭转自由度气弹稳定性特性,分析了标量速度,叶片刚度,挥舞/扭转固有频率比和结构阻尼的影响,揭示了旋转叶片经典颤振边界的变化规律且其准确性得到验证。     

覆冰输电线路舞动气动阻尼识别

利用覆冰导线刚性节段模型外加弹簧及配重模拟覆冰输电线路竖向及扭转运动动力特性,制作了D形覆冰单导线、新月形覆冰单导线和分裂导线竖向-扭转二自由度气弹模型,通过调整模型竖向/扭转自振频率比及风速、风攻角,于风洞中激发了D形覆冰单导线气弹模型的纯竖向和竖扭耦合失稳舞动,以及新月形覆冰分裂导线气弹模型的竖扭耦合舞动,并记录了其响应时程,通过Hilbert变换进行了竖向舞动和扭转气动阻尼的识别,研究了风速、风攻角、竖扭频率比、覆冰断面、导线数量及布置形式对气动阻尼的影响。对D形覆冰导线纯竖向舞动时根据响应识别所得气动阻尼比与根据Den-Hartog机理计算所得理论气动阻尼比进行了比较。试验结果表明：舞动时气动阻尼比为负值,在试验风速范围内其绝对值随风速增长而增大;D形覆冰导线纯竖向舞动时识别所得气动阻尼比绝对值略小于理论气动阻尼比;导线分裂数量对气动阻尼具有影响;扭转响应对竖向舞动气动阻尼的影响则较为复杂。     

桥梁断面颤振导数的CFD全带宽识别法

由于需要在不同折算风速下重复进行大量试验或CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟,现有风洞试验和CFD方法识别桥梁断面颤振导数耗时且效率低。提出一种基于CFD离散时间气动模型,快速识别感兴趣折算风速带宽内任意折算风速下桥梁断面颤振导数的全带宽识别法。该法基于任意拉格朗-欧拉描述的有限体积法和多层网格技术,首先计算作用在桥梁断面上的非定常气动力,CFD模拟时强迫桥梁断面以单自由度竖弯或扭转方式振动,位移模式为定义在感兴趣的频率范围内的指数脉冲时间序列。然后利用得到的气动力和该指数脉冲输入,通过系统识别建立起反映桥梁断面气动力系统特性的离散时间气动模型。随后利用该气动模型仿真桥梁断面在简谐位移激励下的气动力响应,并由该模型的输入和响应通过系统识别得到桥梁断面的颤振导数。该法在竖弯和扭转方向各仅需一次CFD模拟,就可构造离散时间气动模型,使得颤振导数识别的计算量显著降低。开展了三汊矶大桥加劲梁断面颤振导数识别和颤振临界风速计算,研究结果与风洞试验的一致性,证明了方法的可靠性和高效性。     

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。     

大型水平轴风力机叶片二自由度气弹稳定性分析

本文根据Kallesøe大型水平轴风力机叶片模型下的动力学方程对无阻尼系统进行有限差分离散后,运用Greenberg气动理论施加分布气动力,得到不对称刚度和一般粘性阻尼的二自由度气弹方程。通过建立系统的线性定常状态空间方程,利用极点实部最大值对叶片的气弹稳定性进行了解析,得到了风速、转速、弹性模量、桨距角、空气密度和叶片密度的稳定性曲线,最后用系统的阶跃时间响应进行了验证。     

超高层建筑多自由度气弹模型的优势及制作方法

首先简要对比了测力天平、刚性模型测压、强迫振动、气动弹性模型等四种试验手段的特点,然后着重分析了底部弹性支撑的摆式气弹模型和多自由度气弹模型试验结果的差异,分析发现,对超高超柔的方截面建筑而言,摆式模型所得的横风向风致响应在小风速下比多自由度模型略大,而在包含横风向共振风速在内的大风速下则明显大于多自由度模型,其气动阻尼特性、气动刚度特性和表面风压相干性等倾向于使摆式模型出现相对较大的风致响应。究其原因,是因为只模拟一阶模态的摆式模型在反映流固互制气弹效应方面不够真实且不及多自由度模型精细,即参振模态的不同(包括参振模态数量、高阶与低阶平动频率比、扭转与平动频率比)会使振动形式发生改变,进而影响振动时的气弹效应并改变振动位移。在此结论的基础上,提出了多自由度气弹模型改进设计方法,该方法考虑了低阶与高阶频率比、平动与扭转频率比的可调性,同时解决了模型弯剪振型成分的可控制性和阻尼调节等问题,以期为实际项目的多自由度模型制作和相关研究提供便利和参考。     

索膜结构风振气弹效应的风洞实验研究

提出一种可以考虑索膜结构与风荷载动力耦合作用的简化气弹力学模型方法。以该方法为理论基础,进行了多个鞍形索网和鞍形膜结构的缩尺模型风洞气弹实验。研究内容包括:1)通过对形状相同的刚性模型和弹性模型表面的脉动风压与结构响应观测,探讨了附加气动力对结构响应的影响;2)利用随机减量技术对实验数据进行处理,实现了对气动阻尼、附加质量等参数的识别;3)通过对大量试验数据分析,得到了附加质量和气动阻尼随来流风速、风向、结构刚度和结构振动模态的变化规律。实验结果表明:气动阻尼对结构振动的影响较为显著,特别是对结构的低阶模态,气动阻尼比可达到15%左右;附加质量对结构振动的影响较小,其量级仅为结构质量的1倍―2倍左右。该试验过程中未发现结构出现整体气弹失稳现象,但在某些工况下,在结构局部测点出现气动负阻尼。     

基于复阻尼理论的流固耦合地震时程响应研究

在粘滞阻尼系统的地震动力学方程基础上,建立了基于应力相关复阻尼理论的流固耦合地震动力学方程。根据复阻尼系统求解理论,利用Newmark-β积分法,编制了Rayleigh阻尼和复阻尼模型的流固耦合三维有限元程序。以深水薄壁钢管墩柱为例,计算了两种阻尼模型的流固耦合地震时程响应和复阻尼模型的损耗因子;对比分析了无水和有水两种工况下的动力响应,并研究了此两种阻尼模型地震响应的差异。研究表明,在加速度峰值为2m/s2的El-Centro波作用下,应力相关复阻尼方法计算的结构震动响应数值远大于传统的Rayleigh阻尼模型,考虑流固耦合效应时,结构的震动响应是不考虑此效应时的1.5～2倍多;损耗因子随着位移的增大而增大,并且考虑流固耦合效应时的损耗因子明显大于不考虑此效应的损耗因子值。     

参数激励下深海立管多模态耦合振动特性分析

由于浮体升沉运动影响,引起立管在水平方向上发生参数激励振动。参激振动可以引起平衡位置的不稳定性,如果系统参数组合落在不稳定区域,将导致立管振动破坏。针对简谐参数激励,建立立管横向振动方程,考虑立管内部张力沿轴线变化,立管固有频率和振型发生变化,参激振动出现模态耦合效应。采用Floquet理论分析了立管无阻尼和有阻尼时的参激稳定性,计算了临界参数激励下的动力响应。与单模态参激振动对比表明,同等阻尼下,模态耦合参激振动不稳定区域显著增大,更易发生参激共振。多模态耦合参激振动发生时,小激励也能激起大响应,特别是弯曲应力将显著增大。     

无风环境下振动薄平板断面的非线性气动效应研究

基于随机拉格朗日-欧拉(ALE)法和弱耦合方法,建立了断面风振响应计算的数值模型。提出了无风环境下振动断面的气动力数学表达式,模拟了薄平板断面在无风环境下的自由振动响应,进而计算了断面的非线性振动频率和阻尼比。结果表明:提出的气动力模型能够有效的描述无风环境下作用在振动断面上的非定常气动力;无风环境下振动中的主梁断面,竖向振动比扭转振动对周围空气的干扰作用更大;若忽略无风环境下的气动效应,将会带来一定的误差;初始激励对无风环境下主梁断面的气动效应有较大的影响。     

平板断面扭弯耦合颤振机理研究

基于二维三自由度耦合颤振分析方法,对平板断面经典扭弯耦合颤振的颤振驱动机理和颤振形态进行了深入研究。研究结果表明经典扭弯耦合颤振仍然是由气动负阻尼驱动的,“气动刚度驱动”的机理解释是不正确的,而气动负阻尼主要来源于系统扭转和竖向自由度运动之间的耦合效应。颤振形态矢量的分析结果显示经典扭弯耦合颤振发生时竖向自由度参与程度较高,表明扭转和竖向自由度的耦合效应相当强烈。对颤振形态同结构扭弯频率比以及颤振形态同结构颤振性能的关系进行了分析,虽然颤振形态同结构扭弯频率比之间存在简单、唯一的对应关系,但颤振形态同结构颤振性能的关系则比较复杂。最后对发生于平板断面的竖弯形态颤振的机理进行了探讨。     

任意拉格朗日-欧拉描述的薄平板大幅扭转振动气动特性研究

采用任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary La grangian-Eulerian,ALE)描述法,推导了二维流变区域不可压流体流动的控制方程。基于刚性断面边界特点,简化得到了薄平板强迫振动绕流场控制方程,采用有限差分法开展了薄平板大幅强迫扭转振动的CFD模拟。研究发现,薄平板小幅扭转振动气动力呈线性特性,但大幅扭转振动气动力非线性显著,且气动力非线性随来流折算风速的增大而变得显著。从一个周期内气流做功来看,虽然大幅扭转振动时薄平板转动轴到后缘是耗散气流能量的气动稳定区,但当折算风速较高后,上游侧的半个薄平板表面变为气动不稳定区,此时气流对整个薄平板所作总功由负变为正,薄平板将从气流中吸收能量。研究认为,当折算风速较高时,大幅扭转振动的薄平板将进入气动不稳定状态。     

平板耦合颤振过程中气动能量转换特性

基于分步分析思路对耦合颤振运动方程进行解耦,通过引入考虑阻尼影响的初始运动方程,建立了结构-气流系统颤振能量机理的分析框架。结合平板风洞试验研究了颤振发生过程中系统内主要气动能量的变化规律。研究结果表明在平板耦合颤振过程中联合气动导数数A1*H3*建立了能量在两个自由度上传递的途径,并且在颤振发生过程中由于扭转振动和竖向振动的相位差逐渐减小,使得该联合气动导数对系统的输能能力不断增强。扭转气动阻尼是系统的主要耗能项,并且耗能能力与导数A2*的数值密切相关而与相位差没有关系。扭转气动刚度在一个振动周期内对系统能量几乎没有贡献,对耦合颤振的影响很小。     

Panel flutter analysis of general laminated composite plates

The problem of nonlinear aeroelasticity of a general laminated composite plate in supersonic air flow is examined. The classical plate theory along with the von-Karman nonlinear strains is used for structural modeling, and linear piston theory is used for aerodynamic modeling. The coupled partial differential equations of motion are derived by use of Hamilton’s principle and Galerkin’s method is used to reduce the governing equations to a system of nonlinear ordinary differential equations in time, which are then solved by a direct numerical integration method. Effects of in-plane force, static pressure differential, fiber orientation and aerodynamic damping on the nonlinear aeroelastic behavior of the plate are studied. Results show that the fiber orientation has significant effect on dynamic behavior of the plate and the asymmetric properties, changes the behavior of the limit cycle oscillation.     

Response probability structure of a structurally nonlinear fluttering airfoil in turbulent flow

The stationary probability structure for the aeroelastic response of a structurally nonlinear fluttering airfoil subject to random turbulent flow is examined numerically. The airfoil is modelled as a two-dimensional flat plate with degrees of freedom in torsion and heave (vertical displacement). The nonlinearity is a hardening cubic stiffness force in the torsional direction. The aerodynamic force and moment are assumed to be linear, thus limiting the analysis to small oscillations; unsteady effects are retained. Furthermore, both parametric and external random coloured excitations are considered. It is found that depending on the value of turbulence variance and nonlinear cubic stiffness coefficient, the pitch marginal probability density functions (PDF) exhibits uni-, bi- or double bi-modality; the nature of the bi-modality is not unique. An explanation of the behaviour is provided via an analysis of the joint PDF in pitch and pitch rate for which both the deterministic and random responses are examined. More generally, it is found that the random excitation effectively ‘decouples’ the nonlinear responses such that the pitch, pitch rate, heave and heave rate marginal PDFs transition from uni- to bi-modality at different airspeeds. It is argued that a fundamental cause of the observed behaviour is the synergy between the nonlinearity and the random external excitation.     

指数脉冲强迫激励CFD模型运动的气动参数识别法

计算流体动力学（CFD）模拟是获得桥梁断面颤振导数的主要方法之一。提出了一种基于CFD计算气动力，建立气动模型并经模型仿真快速识别颤振导数的新方法。该方法采用具有连续频谱分布且位移光滑的指数脉冲序列为CFD模型运动的输入，通过数值模拟得到作用在模型上的气动力。利用已知的输入和气动力建立起反映系统气动力特征的离散时间气动模型。然后利用该模型仿真系统在简谐位移输入的气动力响应，再基于该输入和模型仿真输出识别颤振导数。该方法在竖弯和扭转方向各自仅需一次CFD模拟，无需重复进行CFD计算，能显著减小CFD计算颤振导数的工作量。进行了薄平板颤振导数的识别，研究结果与Theodorsen平板理论解、薄平板风洞试验值的一致性，证明了研究方法的可靠性和有效性。     

H型断面渐近发散振动气动力特征的数值模拟研究

基于计算流体动力学(CFD)数值模拟和连续小波变换的方法研究了渐近发散振动条件下H型断面的非线性气动力。采用二维非定常不可压缩雷诺平均N-S方程结合重整化群(RNG)k-湍流模型计算纯扭转或竖向渐近发散振动条件下的气动力。采用复Morlet小波对气动力进行连续小波变换,结合蛇形罚函数方法提取小波脊。由小波脊识别气动力的各瞬时频率及对应的瞬时振幅。研究表明:H型断面在大振幅振动条件下的气动力存在多倍于强迫振动频率的高次谐波,各频率成份的瞬时振幅与激励瞬时振幅间存在复杂的非线性关系。     

三向轮胎力作用下路面动力响应分析

摘 要：采用两自由度非线性汽车模型和地基上双层薄板建立三向轮胎力作用下的车-路系统。将非线性Gim模型与垂向点接触轮胎模型相结合对三向轮胎力进行描述。利用伽辽金方法推导三向轮胎力作用下路面响应的解析解,研究制动移线工况下各轮胎分力对路面响应的贡献,比较只考虑垂向轮胎力作用和考虑三向轮胎力作用时路面响应的差别,并分析系统参数对此差别的影响。研究成果有利于揭示车辆对道路的三向作用机理,为道路响应计算和道路寿命预测提供新的研究思路。