基于CFD的地面颤振模拟试验非定常气动力重构方法研究

为满足地面颤振模拟试验中气动力计算的实时性以及插值点数量要求,提出一种基于计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)的非定常气动力重构方法。首先,通过模态激励的方式建立广义坐标下的气动力降阶模型(reduced order model, ROM),提高气动力计算效率;然后,利用提出的物理坐标与广义坐标物理量的转换关系将模型转换至物理坐标下,并基于优化算法对插值点进行缩聚处理;最终,采用标准模型AGARD445.6对建立的非定常气动力进行仿真。分析结果表明,基于重构的气动力模型获得的颤振边界与计算流体力学/计算固体力学(computational fluid dynamic/computational solid dynamic, CFD/CSD)直接耦合及风洞试验结果吻合较好,证实了该方案的可行性。     

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。     

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。     

气动弹性系统的模型确认与鲁棒颤振分析

研究了气动弹性系统的不确定性建模和鲁棒颤振分析问题.将结构的不确定性考虑为参数形式,非定常气动力的不确定性考虑为参数和未建模动态两种形式,建立了不确定系统的线性分式变换模型.分别使用基于Carathe-dory-Fejer插值定理和Nevanlinna-Pick插值定理的模型集检验方法进行了模型确认,在时间域和频率域中对模型集的有效性进行了验证,确定了不确定性的幅值.对于模型确认得到的不确定气动弹性系统,使用μ分析方法进行了鲁棒颤振分析.计算中,飞行速度是作为给定参数而不再是作为摄动变量,由此得到的鲁棒稳定性边界是匹配点解.仿真数值结果给出了鲁棒颤振速度,表明了方法的有效性.     

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。     

基于γ-Re_(θt)转捩模型的二维翼型跨音速颤振边界预测EI北大核心CSCD

转捩现象对跨音速流场和气动力有一定影响,但是目前大多数颤振问题研究主要采用全湍假设,并未对转捩现象加以考虑。基于非定常雷诺平均N-S方程(Reynold Averaged Navier-Stockes,RANS)和γ-Re_(θt)转捩模型,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;分别对采用全湍假设和考虑转捩影响的Isogai案例A模型的跨音速颤振边界进行研究,从气动力做功的角度分析转捩对跨音速颤振特性的影响机制。结果表明转捩现象使得跨音速凹坑程度较全湍流动有所加深,凹坑范围扩大,跨音速凹坑最低点的颤振速度减小了41.6%;因此,在对表面存在转捩现象的翼型开展颤振分析时,必须在流场控制方程中添加转捩模型,从而准确分析颤振边界。     

基于γ-Re_(θt)转捩模型的二维翼型跨音速颤振边界预测

转捩现象对跨音速流场和气动力有一定影响,但是目前大多数颤振问题研究主要采用全湍假设,并未对转捩现象加以考虑。基于非定常雷诺平均N-S方程(Reynold Averaged Navier-Stockes,RANS)和γ-Re_(θt)转捩模型,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;分别对采用全湍假设和考虑转捩影响的Isogai案例A模型的跨音速颤振边界进行研究,从气动力做功的角度分析转捩对跨音速颤振特性的影响机制。结果表明转捩现象使得跨音速凹坑程度较全湍流动有所加深,凹坑范围扩大,跨音速凹坑最低点的颤振速度减小了41.6%;因此,在对表面存在转捩现象的翼型开展颤振分析时,必须在流场控制方程中添加转捩模型,从而准确分析颤振边界。     

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。     

块系岩体动态特性测试系统研制及其应用

深部岩体具有块系等级构造特性,在岩石动非线性力学行为中扮演重要角色。为探索深部岩体的动态力学特性,研制块系岩体动态特性测试系统。该系统主要由加载装置和量测系统组成,其中加载装置以激振器作为动力源,能够对由块体组成的结构体系施加水平静载、水平冲击和垂直冲击等多种形式的动静组合加载;量测系统由加速度传感器、电荷放大器、光纤位移计、动态信号测试分析系统组成。将试验系统应用于花岗岩块体模型一维动力冲击试验中,获得冲击振动条件下波传播的频谱、振幅特征。试验情况表明,该系统设计合理,操作方便,量测精度高,可用于研究块系岩体非线性岩石力学现象。     

非线性伺服气动弹性的时域数值模拟

运用非定常流场求解器 ,直接求解翼面作任意运动的时域非定常气动力。将拉氏域内的伺服传递函数转化成时域内的伺服状态方程。通过时域气动力、结构状态方程和伺服状态方程的耦合求解 ,实现伺服气动弹性的时域数值模拟。可以方便地模拟如跨音速、大迎角及高超音速等带有不同非线性的伺服气动弹性响应。通过数值模拟发现 ,伺服系统会降低原有气动弹性系统的稳定性 ,结构陷波器的引入可以减弱伺服系统和结构模态的耦合。应用算例给出了大迎角下翼面的极限环响应和 M=7时伺服颤振速度随迎角变化的非线性特性。     

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。     

考虑不完整边界条件的新型混合试验方法

在混合试验中,当子结构边界自由度较多时,其边界条件往往难以完全实现,而边界条件的缺失势必改变原结构的受力状态,影响结构性能评估的准确性。为此,提出基于模型更新的在线数值模拟方法,称之为考虑不完整边界条件的新型混合试验方法。该方法建立具有相同本构关系的两套数值模型,分别用于整体结构数值计算和物理子结构本构模型参数识别。由于结构反应由整体结构数值模型求得,边界条件自然得到满足;而且数值模型的本构参数不断根据物理试件的试验结果在线修正,提高了数值计算的准确性。以物理试件的恢复力为追踪目标,采用基于梯度的优化方法在线估计并更新材料本构模型参数;以Matlab和Open Sees为计算平台完成了边界条件不完整的钢筋混凝土框架结构虚拟混合试验。结果表明,该方法几乎消除了边界条件不足带来的不利影响,提高了混合试验的模拟精度。     

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。     

具有结构阻尼的复合材料薄壁梁的动力失速非线性颤振特性

研究具有结构阻尼的复合材料薄壁梁动力失速非线性颤振特性。采用受ONERA非线性气动力作用的复合材料薄壁梁的气弹模型分析非线性气弹稳定性;采用复合材料薄壁梁的模态阻尼分析模型进行结构阻尼预测,复合材料结构阻尼对复合材料薄壁梁气弹系统稳定性影响通过引入比例阻尼矩阵的方式予以考虑。采用Galerkin法对具有结构阻尼的气弹方程进行离散化,同时利用片条理论对非线性广义气动力进行计算。借助特征值方法及时域积分法分析复合材料薄壁梁非线性颤振边界及气弹响应的稳定性。通过数值分析,揭示复合材料结构阻尼、纤维铺层角对复合材料薄壁梁非线性颤振边界影响。结果表明,结构阻尼用于抑制复合材料薄壁梁的动力失速非线性颤振,增强气弹稳定性,具有十分明显作用效果。     

偏心支撑框架空间子结构混合试验边界条件模拟方法

数值子结构的建模精度和子结构的边界条件模拟是子结构混合试验中的两个关键问题。为进一步研究这种新型结构试验方法对于空间框架结构的适用性,基于高强钢组合Y形偏心支撑框架模型展开研究。首先建立了一套由OpenSees, OpenFresco试验平台以及MTS加载系统组成的混合试验系统。然后分别针对2层、3层和4层3跨高强钢组合Y形偏心支撑框架,取底层带有偏心支撑的框架部分作为试验子结构,其余部分作为数值子结构在OpenSees中进行模拟。在混合试验之前,利用已有单榀试件拟静力试验结果对数值子结构的建模方法进行了数值模拟验证。最后选取El Centro波作为原始输入地震波,针对试验子结构的平动模拟和竖向荷载作用进行了一系列空间子结构混合试验。结果表明:通过数值模拟验证拟静力试验结果的方式,可以为混合试验中数值子结构的建模提供参考依据;采用双作动器水平加载来实现试验子结构的平动,可以有效考虑数值子结构对试验子结构的边界约束;竖向荷载的考虑,可以更真实的模拟试验子结构的重力二阶效应。     

基于动态近似边界条件的气动弹性数值模拟

发展了一种利用欧拉方程计算非定常气动力的数值方法,通过在固定物面边界上满足动态近似边界条件计算出非定常气动力,避免了在每个时间步重新生成网格或需用动网格技术进行网格变形处理过程,提高了计算效率。运用这种方法计算了一系列非定常气动力算例,并与非结构动网格准确边界条件下的欧拉方程解和实验数据进行了比较,进一步分析了翼型俯仰角和马赫数对非定常气动力相对误差的影响。将气动力解算器与结构方程耦合进行气动弹性数值模拟,计算了跨音速具有S型颤振边界的二元气动弹性标准算例-Isogaiwing。算例结果表明,利用动态近似边界条件的欧拉方程具有简便、高效的特点,并能在小振幅情况下得到与精确边界条件精度相当的非定常流场解,还可以用于气动弹性分析。     

基于风洞试验模型的跨声速颤振研究

飞行器跨声速工况下颤振边界快速下降,是结构设计和强度校核重点关注的状态之一。目前工程中采用基于偶极子格网法的线性分析手段无法准确预测跨声速颤振边界,风洞试验仍然是研究飞行器跨声速颤振特性的重要手段;以两套颤振试验标准模型为研究对象,在FL-3风洞中开展了风洞跨声速试验研究,采用PEAK-HOLD亚临界响应分析方法预测了模型的跨声速颤振边界,并利用ZAERO和CFD/CSD耦合两种数值计算方法预测了试验模型的颤振边界。结果表明:PEAK-HOLD亚临界响应分析方法预测颤振边界具有较好的趋势性,颤振边界合理可靠;ZAERO线性方法对跨声速颤振边界的预测精度较低,而基于CFD/CSD耦合的非线性方法得到的跨声速颤振边界与试验吻合较好,相互验证了风洞试验和数值计算的可靠性。     

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。     

基于3211多阶跃激励CFD模型的颤振导数识别研究

提出一种通过计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)建立离散时间气动模型并识别颤振导数的方法,该方法通过强迫模型按一种3211多阶跃方式运动,由CFD数值模拟得到作用在模型上的气动力.由于3211多阶跃包含了丰富的频率成份,能激励起气动力系统在这一连续频域范围内的广泛响应,因而可基于3211输入-气动力输出得到定义在某一频率范围的离散时间气动模型.该气动模型能对对应不同折算风速的简谐位移输入快速仿真得到气动力输出,通过这些输入-输出就可快速识别任意折算下的颤振导数,无需对不同折算风速重复进行CFD计算.应用本文方法识别了薄平板的颤振导数,并与薄平板风洞试验结果进行了比较,颤振导数的一致性证明了本文方法的有效性.     

折叠翼低温展开地面加载试验系统的设计

根据某型号折叠翼低温环境展开试验中地面加载的要求,通过理论分析和仿真计算,确定了折叠翼地面加载试验系统的参数,研制出折叠翼地面加载试验系统,并进行试验验证。试验表明,折叠翼地面加载试验系统对某折叠翼低温环境展开试验时进行模拟加载是可行的,引入的附加质量对某型号折叠翼展开影响很小,可忽略不计。该地面加载试验系统能对某型号折叠翼的气动负载进行准确的模拟,满足某型号折叠翼低温环境展开时地面加载的要求。