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。     

风力机叶片挥舞/摆振的动力失速非线性气弹稳定性研究

研究动力失速风力机叶片的非线性气弹系统的稳定性。叶片结构采用具有挥舞/摆振耦合的典型截面模型,动力失速非线性气动载荷的计算采用基于半经验的ONERA非定常、非线性气动模型。为了减少由于线性化气弹稳定性分析模型带来的误差,直接采用时间域数值积分法,对叶片挥舞/摆振耦合非线性气弹方程组进行数值积分,研究叶片动力失速诱发颤振的稳定性,分析了缩减速度、预尖锥角的影响,并且针对目前文献很少报道的结构阻尼参数的影响问题进行了研究。     

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。     

大展弦比夹芯翼大攻角颤振分析

首先导出大展弦比复合材料梁弯扭耦合模态的半解析解，对具有NACA0012翼型的大展弦比的夹芯翼，在模态空间内建立了运动方程。然后采用半经验的ONERA非线性气动力模型描述空气动力，形成了对大展弦比夹芯翼大攻角气动弹性问题的描述。通过结构求解器和空气动力求解器联合求解来完成非线性颧振边界的计算。为了验证非线性颤振边界的求解方法，还利用ONERA气动力模型中的线性部分建立了夹芯翼的线性颤振方程。结果表明：零翼根攻角时，线性颤振速度与用非线性颧振边界求解方法得到的颧振速度完全一致；颤振速度随翼根攻角的增加而迅速减小；复合层铺设方式对颤振速度有较大影响。     

双闭室复合材料薄壁梁的结构阻尼细观分析

研究双闭室复合材料薄壁梁的结构阻尼特性。基于单层混杂材料的细观力学阻尼计算方法和多胞模型,分别获得单层复合材料的等效阻尼特性和等效弹性特性;基于变分渐进法（VAM)和Hamilton原理,建立双闭室复合材料薄壁梁振动方程;采用Galerkin法对薄壁梁进行自由振动分析;在获得薄壁梁振动模态矢量的基础上,根据最大应变能理论,对薄壁梁的模态阻尼性能进行预测,并且将阻尼预测的结果与现有的有限元计算结果进行对比,验证了本文阻尼分析模型的有效性。进一步针对四种种构型双闭室复合材料薄壁箱形梁,进行阻尼计算,揭示了纤维铺层角和纤维含量的影响。     

分离流动诱发的失速颤振和锁频现象研究

采用非定常雷诺平均N-S方程(Unsteady Reynold Averaged Navier-Stockes,URANS)模拟失速颤振中的非定常气动力,通过耦合结构运动方程,建立时域气动弹性分析方法,其中结构运动方程采用基于预估-校正技术的四阶隐式Adams线性多步法进行时域推进求解。首先对动态失速气动力响应和锁频区域的预测精度进行验证,确保求解器适用于模拟失速颤振。其次,采用该气动弹性分析方法对NACA23012翼型的颤振边界进行数值模拟,结果表明,预测得到的颤振速度边界和实验结果吻合较好。通过对失速颤振中的结构运动响应和流动特性进行分析,发现在失速颤振中前缘漩涡的产生和尾涡脱落是一种能量转换和注入机制,用以维持翼型的等幅振荡;同时失速颤振中出现的锁频现象是导致翼型在初始攻角为15°、16°和17°时颤振频率突然降低的主要原因。     

基于非线性气动力的失速颤振计算与试验研究

飞行器大攻角飞行过程中的动态失速会导致结构自激扭转或俯仰运动,造成非线性失速颤振现象,直接影响飞行器飞行安全与结构安全。该文对标准Leishman-Beddoes (L-B)非线性非定常气动力模型进行马赫数修正,使其适用于低速不可压情形的动态失速气动力计算,然后基于二元翼段气动弹性模型,采用Newmark时域推进方法进行工程失速颤振计算。依据计算结果设计并完成了二元翼段失速颤振风洞试验。试验结果表明,多数试验状态,基于L-B模型的失速颤振计算结果与试验结果均吻合较好。结果验证了修正的L-B模型可以用来进行低速大展弦比平直翼段翼型的失速颤振工程分析与极限环振荡评估,同时,失速颤振速度与极限环幅值受初始攻角的影响很大。     

基于压电作动与鲁棒控制的弯-剪耦合叶片挥舞失速颤振抑制

针对风力机叶片的挥舞断裂失效,阐述压电作动与鲁棒控制下的挥舞/横向剪切(弯-剪)耦合叶片失速颤振及主动控制过程;结构模型是在复合材料基体中嵌入压电材料的薄壁单闭室叶型截面,气动力是适合于纯变桨运动的失速气动力模型。基于Galerkin方法进行解耦处理,气动力沿叶片展长计算采用片条理论;基于压电反馈作动理论和三权值混合灵敏度H_∞鲁棒控制,研究基于时域响应的稳定性分析和失速颤振抑制方法;压电反馈基于结构裁剪技术,反馈为叶尖挥舞弯曲运动。三权值鲁棒控制通过第三权值在噪声衰减中,制约输出信号大小,迫使其稳定;通过大范围变化的变桨角和铺层角条件下的特征值分析及相平面分析,验证了三权值混合灵敏度H_∞鲁棒控制不失一般性。     

复合材料薄壁梁的固有特性分析

本文采用复合材料薄壁梁的高次翘曲理论对复合材料薄壁梁的固有特性进行了分析,讨论了单闭室复合材料薄壁梁的高次翘曲,剖面分层对结构的固有特性的影响。数例表明,复合材料薄壁梁的高次翘曲函数和分层对结构的固有特性具有一定的影响。     

风力机复合材料柔性叶片的颤振分析

将风力机叶片简化为薄壁复合材料封闭截面弯扭耦合变形梁,基于Hamilton原理并结合变分渐进法（VAM）,建立风力机叶片的气动弹性力学模型。结构模型包括材料各向异性,截面翘曲,离心载荷,科里奥利加速度,以及预锥角和预扭转角的影响。气动载荷采用叶素动量理论和准定常气动力理论进行描述。将位移按广义坐标进行模态展开,采用Galerkin法导出系统的质量、刚度和阻尼矩阵,采用特征值技术进行叶片颤振性能的数值求解。针对周向反对称刚度配置（CAS）叶片进行数值近似计算,揭示了入流比、预扭转角和纤维铺层角等参数对风力机叶片颤振性能的影响。     

考虑风速分布的叶片MPC气弹控制

作为叶片失效的重要原因,颤振一直是风电领域研究重点。以抑制叶片工作过程中的颤振为目的,建立分析模型时应充分考虑实际风速分布特别是风切变和塔影效应对叶片振动的影响,并在离散化后求取平均输入风速。针对小型风力机叶片气动弹性稳定性问题进行综合分析,根据实体结构建立叶片气弹模型,考虑非线性气动力作用时叶片大攻角、大风速工况下产生的高频、高幅失速颤振,模拟典型截面仿真振动位移。通过模型预测控制的滚动优化和误差矫正控制叶片挥舞、摆振两个运动方向的振动频率和幅值,结果表明振动形式实现控制后可在短时间内达到稳定且静差可接受。     

单闭室复合材料薄壁梁的结构阻尼

研究单闭室复合材料薄壁梁的结构阻尼特性。基于变分渐进法（VAM) 和Hamilton原理,分别建立薄壁梁的截面力位移关系和运动方程;采用Galerkin法对薄壁梁进行自由振动分析;在获得薄壁梁振动模态矢量的基础上,根据最大应变能理论,对薄壁梁的模态阻尼性能进行预测,并且将阻尼预测的结果与现有的有限元计算结果进行对比,验证了本文阻尼分析模型的有效性。进一步针对周向均匀刚度配置(CUS)和周向反对称刚度配置（CAS）两种构型复合材料薄壁箱形梁以及一个翼型截面梁,进行阻尼计算,揭示了纤维铺层角和截面宽高比等参数的影响     

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。     

大展弦比机翼气动颤振的有限元分析

摘要：在Theodorsen二元气动力的基础上,建立非定常气动力时域内积分形式的表达式或者等价的频域表达式,利用粘弹性结构振动分析中对积分方程的等价变换将其写成与结构动力学方程一致的二阶常微分方程,将气动力的影响作为对结构有限元模型质量阵、刚度阵和阻尼阵的补充,保留了结构原有的所有动力学特性,并且能够直接用计算结构动力学的通用有限元软件进行空气-结构耦合的整体动力学分析,适合应用于具有复杂结构的气弹问题。气动力模型的建立可以利用各种试验及数值方法得到的气动力数据,适用性强。算例给出了大展弦比机翼的颤振边界计算结果。     

基于CFD降阶的非线性气动弹性稳定性分析

为了快速寻找基于CFD/CSD的非线性气弹系统的颤振边界,根据Lyapunov稳定性理论对非线性流固耦合系统进行稳定性分析。首先通过微扰理论对非线性流固耦合系统处理建立近似线性化状态空间方程,再通过POD(Proper Orthogonal Decomposition)方法将高维状态空间方程降阶为便于分析的降阶系统,根据系统所有特征值即可判定原始非线性系统稳定性。Lyapunov稳定性理论主要针对非线性系统,在实现过程中采用了POD降阶的方法,与大多数对降阶系统稳定性判定不同,其数学理论上是反映原始非线性流固耦合系统稳定性。POD降阶方法从系统内部流场出发,可以较好反映系统内部特性。二维三维算例仿真结果验证了该方法预测颤振边界的正确性,分析发现,在亚音速阶段,稳定性主要由于结构模态主导;而在跨音速和超音速流动阶段,气弹稳定性主要由受流体特性影响。     

水平轴风力机叶片的弯扭耦合气弹稳定性研究

研究水平轴风力机叶片的经典颤振稳定性特性。在导出质量刚度均匀分布的旋转挥舞/摆振/扭转叶片的耦合振动偏微分方程组基础上,引入扩展的Theodorsen模型描述非定常气动力的作用。联合采用Galerkin法、特征值法和时间域积分法对所建立的叶片气弹模型进行求解。通过数值分析获得叶片的挥舞弯曲模态、摆振弯曲模态和扭转模态的根轨迹曲线,分析了叶片面内刚度、扭转刚度和预锥角对叶片气弹稳定性的影响。特征值法稳定性的计算结果的精确度和可靠性通过分析模态展开式中模态截断个数N对颤振边界收敛性的影响,得到验证。稳定性分析的时间域数值积分结果的一致性进一步说明特征值法稳定性计算结果正确性。     

弯扭耦合风力机叶片的准稳态响应及LLTR控制

为解决弯扭耦合复合材料薄壁叶片的发散不稳定问题,阐述了风力机叶片准稳态响应及基于回路传输恢复的LQG(LQG with Loop Transfer Recovery,LLTR)理论控制过程。叶片结构模型是基于周向反对称刚度铺层的复合材料薄壁单闭室翼型;翼型的中线轨迹是S809Ⅱ翼型型线。从直升机叶片的失速气动力模型中提取了一种准稳态气动力模型,经过修正后适合于风力机叶片经典颤振和失速颤振临界状态的研究。分别详细研究了基于输入端回路传输恢复及输出端回路传输恢复两种情况下的LLTR控制,并通过弯扭时域响应和控制器响应的数字仿真比较以及奇异值伯德图曲线对比,论证了LLTR控制算法的稳定性及在颤振抑制方面的优越性。控制算法的实时效应也通过半实物仿真实验平台得到了检验。     

大跨度悬索桥颤振的三维精细化分析

随着悬索桥跨径的增大,静风作用、缆索上的风荷载以及风速空间分布的非均匀性都随之明显增强,可能会对大跨度悬索桥的颤振稳定性构成不容忽视的影响。在线性颤振分析方法基础上,进一步考虑静风效应、风速空间非均匀分布和主缆气动力作用等因素建立了精细化的大跨度桥梁三维非线性颤振分析方法,并编制了相应的计算分析程序。以润扬长江大桥南汊悬索桥为例,通过精细化分析揭示了静风效应、风速空间分布非均匀性以及主缆气动力等因素对大跨度悬索桥颤振稳定性影响的规律和程度。结果表明:静风作用引起的结构动力特性尤其是空气力非线性变化、风速空间非对称性分布和主缆气动力等因素对大跨度悬索桥颤振稳定性的影响显著,必须在颤振分析予以准确考虑。     

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...     

结构参数对无轴承旋翼悬停气弹稳定性的影响

为了准确分析结构参数在悬停状态下对无轴承旋翼气动弹性稳定性的影响,建立一种基于有限状态入流的直升机气弹稳定性分析的新模型。采用Green-Lagrange应变张量推导无轴承旋翼桨叶的非线性应变-位移关系,把桨叶作为多路传力系统进行处理并根据Hamilton原理建立桨叶运动的有限元方程,非定常气动力采用有限状态状态入流模型,旋翼的气弹稳定性根据桨叶摄动方程的特征值进行判断,研究结构参数对无轴承旋翼在悬停状态下气弹稳定性的影响。结果表明：（1）无轴承旋翼气弹稳定性分析采用模型比以往的动力入流模型或均匀入流模型与实验结果吻合更好;（2）桨毂预锥角、桨叶的摆振刚度及挥舞刚度对无轴承旋翼气弹稳定性的影响很大。