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。     

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     

风力机叶片流固耦合计算的降阶模型研究

针对风力机叶片流固耦合计算复杂,耗时量大的局限性,建立了一种风力机叶片的弱耦合计算降阶模型。采用本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)方法建立流固耦合计算中空气流体方程的降阶模型,利用POD方法将流体控制方程的速度和压力等未知量进行基模态分解并用一小部分空间模态表示,对流体方程进行时间离散,在既有缩减空间上采用Galerkin投影方法获得流体控制方程的最小残差投影,构造流体方程的最小残差降阶模型。再将流体降阶模型与风力机叶片进行流固耦合计算。将该降阶模型应用于经典NREL V风力机叶片的流固耦合计算中,对比了该降阶模型和经典Galerkin法的时间离散系数;计算得到了风力机叶片的受力和变形变化特征,并与CFD结果进行了对比,结果表明了该降阶模型的正确性和有效性。最后对比了该降阶模型和全阶模型的计算效率,结果表明降阶模型的计算效率有较大幅度提高,节约了大量机时。提出的降阶模型是正确有效的,达到了准确高效进行风力机叶片流固耦合计算的目的。     

基于POD降阶方法的复合材料曲壁板颤振响应特性研究

建立了三维复合材料曲壁板的气动弹性有限元方程,将本征正交分解方法(POD)应用于三维复合材料曲壁板的非线性颤振响应降阶分析中,通过POD方法构造三维复合材料曲壁板颤振响应的POD模态,然后将系统的运动方程变换到POD模态坐标下,通过数值积分方法计算三维复合材料曲壁板的颤振响应,与传统的模态缩减法计算结果相比,结果很好的吻合,且大大节省了计算时间。     

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。     

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...     

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。     

二维壁板颤振的本征正交分解降阶模型研究

针对二维壁板颤振问题,基于Galerkin方法和本征正交分解(POD)方法,发展了兼具高效性和全局性的降阶模型(ROM)。简述了二维壁板颤振的经典Galerkin解法,及在物理空间上提取POD模态和建立ROM的传统方法。为简化流程和提高效率,发展了一种在Galerkin基函数所张成的模态空间上进行POD模态提取与ROM建立的新方法,并证明了该方法与传统POD-ROM的等效性。随后,通过对系统典型响应的POD模态分析,表明POD模态可高效反映系统的最本质特征。基于混沌响应下的POD模态建立了ROM,并用其详细研究了系统的分岔特性和稳定区域边界。计算表明该POD-ROM与Galerkin方法的计算精度非常接近,计算效率却有大幅提升。该方法可推广应用于其他复杂动力系统的ROM构建。     

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。     

基于非定常气动力降阶的AGARD445.6硬机翼不同迎角颤振研究

以AGARD445.6硬机翼为研究对象,发展了基于计算流体力学与模态叠加的并行流固耦合方法,计算该机翼在不同初始迎角、不同来流速度的气动弹性时域响应,结果表明：初始迎角小于7°时,该机翼颤振速度随着初始迎角增加而降低;初始迎角7°～10°,颤振速度随着迎角增大而增加。在10°迎角条件建立了基于径向基神经网络的非定常气动降阶模型,准确预测不同速度、减缩频率的非定常气动力,并使用时域龙格库塔法和频域VG法预测10°迎角的颤振特性;建立考虑初始迎角输入的非定常气动降阶模型,预测机翼不同初始迎角的颤振特性。基于降阶模型的初始迎角对颤振边界影响的机理分析表明：小迎角时,随着迎角的增加广义力系数幅值比增加,导致颤振速度的下降;迎角大于7°后展向涡改变了机翼表面压强分布,导致一扭广义力系数幅值比降低,从而增加该机翼颤振速度。     

超音速弹翼非线性颤振分析与控制

摘　要：研究超音速弹翼非线性气动弹性稳定性与主动控制问题。采用三阶活塞理论建立含间隙弹翼非线性气动弹性动力学方程,分别利用Hopf分岔理论及数值方法给出系统的线性与非线性颤振速度,应用基于微分几何法及二次型最优控制相结合的方法,设计非线性系统控制器。最后分析控制器及系统参数对控制效果的影响。仿真结果表明设计的控制器可有效地实现对非线性系统颤振的抑制。     

风力机叶片挥舞—摆振气弹稳定性分析

根据Euler-Bernoulli梁理论和粘弹性材料的Kelvin-Voigt理论建立风力机叶片挥舞—摆振耦合非线性动力学方程。将位移视为静态位移和动态位移的叠加,进而将非线性动力学方程线性化为动态位移的线性方程,得到叶片耦合振动特征方程。使用基于加权残值的Galerkin方法求解特征方程,分析叶片气弹稳定性,讨论风速、安装角、耦合效应和材料阻尼对叶片颤振稳定性和非线性自激振动行为的影响。结果表明:摆振方向易出现不稳定振动,通过设置安装角,利用挥舞—摆振耦合可以控制不稳定振动,但当安装角太大时,挥舞—摆振耦合会引起不稳定振动。     

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.     

颤振主动抑制的LPV控制设计

飞行器的气动弹性特性随飞行状态发生改变,因此,颤振主动抑制控制器需在一定的飞行包线内保证其控制性能。线性变参数(LPV)控制设计因其考虑了系统参数的时变特性而被广泛关注。在此基础上,一种LPV控制器设计方法被研究用于颤振主动抑制,首先,针对原始气动弹性模型阶次偏高的问题,采用LPV斜投影法建立了低阶LPV模型;随后,在离散网格法基础上设计了LPV控制器;最后,以Goland Wing机翼为仿真模型验证了所提的LPV控制器设计方法,结果表明:采用该方法得到的LPV降阶模型可有效表征气弹系统的动力学特性,所设计的LPV控制器能够保证较宽飞行包线范围内颤振有效抑制。     

主动约束层阻尼梁的有限元模及模型简化

将有限元方法与粘弹性材料的GHM模型相结合,从而避免因粘弹材料料导致的非线性微分方程,为进一步设计控制器,先在物理空间通过迭代进行动力缩聚,将系统降至适当的维数,然后在状态空间用鲁棒降价的方法进一步降阶,这样能使降阶后的系统既可观性,又可控性。     

机器-基础耦合振动功率流传递最优控制

建立了机器-基础耦合振动状态空间方程，对系统的耦合振动特性与模型降阶进行了研究。给出了状态观测器构造的一般方法。从功率流传递的角度，对模态耦合振动线性二次调节器（LQR）控制效果进行了评估。数值计算表明：机器-基础的耦合振动主要表现为机器Z向模态与基础第一阶弯曲模态的耦合振动。以模态速度为LQR控制指标可有效地衰减共振频率处功率流传递、阶跃响应收敛时间较短。     

浸水旋转壳体振动特性的有限条—边界元分析

根据旋转壳体的结构特点,利用有限条法对其进行分析达到降维目的;对流场则提出了一种特殊的边界单元,这种边界元不仅能与结构的有限条单元协调,而且计算量小,精度高;在此基础上,通过凝聚降阶进一步减少流固耦合系统的控制方程。对典型浸水旋转壳的振动频率、模态以及响应作了全面分析,获得了理想的数值分析结果。     

基于动网格降阶算法的机翼颤振边界预测

基于弹性体动网格技术,发展了一种用于机翼流场网格变形的降阶算法。将流场网格所包围的空间区域视为虚拟弹性体。以虚拟弹性体变形的静力平衡方程为基础,结合机翼的振动控制方程,推导了机翼与虚拟弹性体的整体的振动控制方程。通过模态叠加方法计算机翼和流场网格节点的位移,进而得到变形后的流场网格。考虑到机翼颤振多为1阶弯曲和扭转振动,所以在流场网格节点位移的计算中只需考虑1阶弯曲和扭转振型。为了保证计算精度,在计算中同时考虑了2阶弯曲和扭转振型。RANS方程为流体控制方程,采用Spalart-Allamras湍流模型,结合动网格降阶算法,对AGARD Wing 445.6颤振边界进行了流固耦合计算。计算结果相对于实验值的偏差小于2%,且与已有的弹性体动网格方法比,计算时间减少了54.8%。     

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。