大展弦比机翼非线性颤振剪裁设计新方法

针对大展弦比机翼水平弯曲模态参与耦合颤振问题,首先用考虑几何非线性的颤振分析方法研究了某大展弦比机翼的颤振特性,结果表明水平一弯模态参与耦合降低了机翼传统模式的线性颤振速度;然后研究了复合材料的铺层主刚度方向角对机翼非线性振动特性和颤振特性的影响规律,提出了大展弦比机翼非线性颤振剪裁设计的新方法.结果表明主刚度方向角的变化主要引起了水平一弯模态振型的改变,一般表现为主刚度方向角从机翼后梁向后缘偏转,该阶模态的相对扭转振型节线位置向前缘移动;反之,该节线位置后移.进一步非线性颤振分析,发现水平一弯模态振型的变化引起了该阶模态参与耦合颤振速度的明显改变,主要表现为该颤振型的颤振速度随该阶模态的相对扭转振型节线位置前移量的增加而增大.通过两个算例验证了结论的正确性.     

考虑舵机动力学的舵回路系统颤振特性分析

针对液压舵机动刚度特性,研究了舵回路系统(舵机系统和舵面耦合系统)的颤振特性.利用分支模态法建立了基于舵机系统动力学方程的时域和频域颤振计算模型,提出了2种考虑舵机动态特性的颤振求解方法,第1种方法思想是对舵回路系统模型在各种来流速度下进行状态矩阵的稳定性判断;第2种方法是将舵机复刚度特性包含在频域颤振方程中,使用迭代法求解该方程得到舵系统颤振特性,并验证了两种方法的可行性.分析结果显示舵机动态特性对颤振特性有着很大的影响,说明舵机动态特性使得颤振边界提高,为飞机系统设计和结构振动分析提供有用的边界支持和设计依据.     

复合材料机翼颤振特性的数值仿真

研究机翼振颤性能优化问题,由于复合材料机翼具有材料耦合和几何耦合的特点,传统的方法研究复合材料机翼的颤振特性比较复杂,耗时长.为解决上述问题,提出利用哈密顿原理建立了系统的运动方程,然后采用微分求积法进行离散,并编制了程序对复合材料机翼的弯扭耦合颤振速度在Matlab软件上进行了数值仿真.结果表明,微分求积法的计算结果精度高、速度快,并证明利用微分求积法分析复合材料机翼的颤振特性是可行且有效的.同时,分析了材料耦合刚度对颤振速度的影响,结果表明材料耦合刚度的绝对值稍大些才能提高机翼的颤振速度.     

基于CFD/CSD方法的亚音速平板结构气动弹性分析

采用CFD/CSD双向流固耦合算法研究平板结构的气动弹性耦合特性.首先,采用CFD/CSD算法计算平板结构的颤振临界速度,并与已有文献中的实验结果进行比较验证.然后,分别对简支和固支边界条件的三维平板结构进行气动弹性特性分析,计算不同约束情况下流场分布的变化和平板结构的位移响应.同时还考虑加肋和结构材质对平板结构气动弹性特性的影响.     

超音速下热壁板的颤振分析

首先研究了热效应对壁板结构动力学特性的影响.将基于超音速活塞理论的非定常气动力模型与壁板的结构动力学方程相结合,得到了热壁板的颤振方程.利用p-k法进行了热壁板的颤振计算,讨论了气流偏角对颤振速度的影响.数值结果表明,热效应对壁板的固有特性有较大影响,进而影响壁板的颤振特性.     

民机概念设计阶段的气动弹性优化设计

针对民机气动弹性问题,进行概念设计阶段的气动弹性优化设计,尽量避免因气动弹性导致后续的设计更改甚至重新设计.以某大展弦比机翼为例,参照同类飞机初步确定结构刚度分布,并以结构重量最小化为优化目标,以颤振速度、最大变形、最大应力、发散速度的限制为约束条件,利用优化迭代方法进行气动弹性求解.结果表明,在给定的约束条件下,机翼的颤振速度满足气动弹性稳定性要求,且强度、刚度和静发散特性也都满足设计要求;同时,根据优化求解结果得到了机翼的刚度分布指标.研究结果为民机概念设计阶段的结构布局提供了依据.     

考虑迟滞非线性的高超声速飞行器颤振分析

为给飞行器颤振控制及结构设计等提供支持,利用适合复杂结构建模的动态子结构方法中的自由界面模态综合法,考虑飞行器在超声速飞行状态下高超声速流和飞行器自身结构的特点,将整个飞行器分成多个子结构;考虑飞行器机身与机翼之间相互连接构件的实际工作状况和制造工艺情况,带有间隙非线性与立方非线性相互作用所产生的迟滞非线性特性,以及阻尼因子对非线性的影响,用有限元计算软件计算各子结构的动力学特性参数和气动力分布情况,建立飞行器整机的振动微分方程以分析颤振特性．对得到的飞行器在所设工况下的振动和颤振特性及颤振临界状态进行分析,实现全机气动弹性问题的仿真计算．分析结果表明,该方法拓展高超声速飞行器颤振的计算,可为动态子结构方法应用于颤振研究提供参考．     

立方非线性二元机翼突风响应仿真研究

研究突风响应气动弹性问题,由于飞行器高速飞行,动力系统响应直接影响系统的性能,而系统结构上的非线性增加了突风响应问题的复杂程度。为分析性能,提出以经典的二元机翼为对象,通过建立三自由度二元机翼在突风下的增广状态空间运动方程,针对立方非线性刚度弹簧系统,研究各自由度采用立方结构非线性系统响应。仿真结果表明系统采用线性刚度突风只影响系统响应振幅,沉浮弹簧采用立方非线性刚度系统后系统颤振速度变小,俯仰方向和操纵面扭转弹簧采用非线性刚度后系统颤振速度增大,结果可为研究三维机翼非线性颤振提供一定的研究基础。     

基于CFD-CSD耦合的机翼跨音速颤振计算

采用CFD-CSD耦合计算是预计机翼跨音速颤振特性的主流方法。以跨音速颤振国际标准模型AGARD 445.6机翼为研究对象,利用ANSYS.MFX多场耦合求解器对Euler方程进行求解来获得作用在机翼表面上的非定常气动力;对结构振动方程采用HHT方法直接数值积分以获得结构响应。通过CFD和CSD的耦合,计算了AGARD 445.6机翼的跨音速颤振特性。数值模拟结果与NASA风洞实验结果符合良好,表明利用ANSYS.MFX计算机翼跨音速颤振问题是可行的。     

基于Wagner函数的卷弧翼非定常气动力分析

为研究卷弧式尾翼的气弹特性,基于Wagner函数,建立了卷弧尾翼在非定常气动条件下的升力及滚转力矩模型。以此为基础,针对在特定振荡频率的攻角激励作用下,不同张开角度、弦长及分布数量翼片的升力,不同安装及滚转方向翼片的滚转力矩,进行了数值仿真分析,并利用fluent仿真软件进行了建模仿真验证。结果表明升力响应幅值随着张开角及弦长的增大单调递增,不同分布数量尾翼的升力近似相等,反装反旋安装方式有效降低了尾翼滚转力矩。对于卷弧尾翼弹箭的优化设计,颤振特性分析以及锥形运动的抑制等问题具有积极意义。     

Modeling physical uncertainties in dynamic stall induced fluid–structure interaction of turbine blades using arbitrary polynomial chaos

A nonlinear dynamic problem of stall induced flutter oscillation subject to physical uncertainties is analyzed using arbitrary polynomial chaos. A single-degree-of-freedom stall flutter model with torsional oscillation is considered subject to nonlinear aerodynamic loads in the dynamic stall regime and nonlinear structural stiffness. The analysis of the deterministic aeroelastic response demonstrated that the problem is sensitive to variations in structural natural frequency and structural nonlinearity. The effect of uncertainties in these parameters is studied. Arbitrary polynomial chaos is employed in which appropriate expansion polynomials are constructed based on the statistical moments of the uncertain input. The arbitrary polynomial chaos results are compared with Monte Carlo simulations.     

基于异形梁模型的海洋柔性管缆防弯器数值模拟

为防止海洋柔性管缆在自重和环境载荷作用下的局部曲率过大而发生结构失效,在连接部位安装防弯器增加管缆弯曲刚度,并使管缆曲率分布均匀.分析防弯器力学性能和在位特点,阐述计算难点和几种数值建模方法的可行性与效果,并具体讨论用梁单元建立防弯器异形梁有限元模型的优势.利用平面异形梁单元特点,采用等效弯曲刚度进行防弯器结构分析,从而形成一套简洁高效的数值分析方法.通过数值算例评价该计算方法的适用性.     

基于有限元分析和结构优化的飞机垂尾质量估算

为在总体设计阶段较准确地估算飞机的质量,以垂尾为研究对象,提出基于有限元分析和结构优化的垂尾质量估算方法.该方法的主要步骤为:用CATIA实现垂尾的参数化定义并生成CAD模型;用AVL软件进行气动载荷分析;用PCL编写程序将CAD模型导入MSC Patran中,并应用其结构优化功能计算得到垂尾质量.在iSight中实现...     

相交轴转子系统当量化建模与扭振响应分析

齿轮联结的相交轴转子系统具有转子不同体、不同速、不同轴线等结构特点,使其动力学建模异于常规转子系统,论文采用当量化建模方法,将相交轴转子系统转化为同转速、同轴线的转子系统并建立动力学模型,通过与已有研究对比验证了文中基于DyRoBeS当量化建模方法的有效性.以相交轴齿轮联结转子系统典型结构——某型直升机尾传动系统为研究对象,建立了当量化转子系统动力学模型,分析了系统各阶扭振临界转速及其组成、联结齿轮啮合刚度对扭振的影响、联结齿轮转动惯量对系统临界转速的影响,结果表明:传动系统第1、2阶临界转速为派生临界转速,其余8阶均源于各组成轴;中、尾减啮合刚度值与扭振的各阶共振峰值存在映射关系,部分啮合刚度值会激发共振极大值,应尽量避免;中、尾减啮合刚度变化会引发系统临界转速的变化,尤其是第1、2阶临界转速;不同阶临界转速对各个联结齿轮转动惯量的敏感性亦不同.论文从转子动力学角度研究了齿轮联结的相交轴转子系统的动力学特性,可为此类转子系统的结构优化设计及运行维护提供理论依据.     

A study on the coupled dynamic characteristics for a torsional micromirror

A nonlinear dynamic model of an electrostatic torsional micromirror considering the coupled effect of the torsion and vertical bending motion of its torsional beam simultaneously is presented. The effect of the vertical deformation of the mirror plate and the distributed mass of the torsion beam are also considered in this model. The validity of the model is verified by a finite element simulation with ANSYS. Undamped and damped responses of the torsional and vertical vibration of the micromirror are analyzed by the model given here. The results of the simulation indicate that this model can simulate the dynamic behaviors of the micromirror fast and accurately.     

重载货车铝合金托盘弧焊结构强度及振动特性分析

为检验重载货车轻量化铝合金托盘的结构安全,通过工艺试验确定6061-T6铝合金弧焊接头的拉伸力学性能和断口特征,基于名义应力方法确定2种铝合金托盘结构的设计强度,采用线性振动理论和有限元法开展结构振动特性分析.计算结果表明:6061-T6铝合金弧焊接头发生严重软化现象,但2种铝合金托盘结构的安全系数分别为3.6和3.9...     

单侧主缆刚度损伤悬索桥的模态分析及1∶1内共振

悬索桥缆索在长期服役状态下损伤很难避免,单侧主缆刚度损伤会使系统出现主梁竖弯与扭转自由度间的耦合,这可能会进一步对悬索桥的模态和大振幅下的非线性响应造成影响.为此,建立了考虑单侧主缆刚度受损的七自由度悬索桥横截面模型,模态分析发现单侧主缆刚度损伤会使得系统前两阶固有频率曲线由交叉变为跃迁,导致两个本身相互独立的模态发生耦合.以此为基础,考虑悬索桥主缆刚度有损伤和未损伤两种工况,运用拓展的增量谐波平衡法(EIHB)计算系统在内共振条件下的非线性振动.研究结果表明：单侧主缆刚度有损伤的悬索桥在外部简谐激励下发生1:1内共振,系统能量表现出明显的转移现象;竖向和扭转简谐激励下,有损伤的悬索桥较未损伤工况响应幅值有所减小,但出现了两个共振响应峰值,对激励频率更为敏感.数值结果与利用Runge-Kutta法计算得到的结果吻合一致,验证了EIHB法的准确性.     

Lightweight flatbed trailer design by using topology and thickness optimization

A new design for a lightweight flatbed trailer with high bending stiffness and torsional frequency is presented. The design procedure consists of two main steps: topology optimization and thickness optimization. During topology optimization, a creative frame layout different from existing ladder-type frames can be obtained by searching the best layout out of all possible layouts of a simplified design domain model. After approximating the result of topology optimization as a thin-walled structure, the approximated thicknesses of the plates are optimized to minimize the mass of a trailer. The bending stiffness and torsional frequency obtained by topology optimization are set as design constraints for thickness optimization. Due to the closed cross-section, the optimized trailer can efficiently increase the stiffness-to-mass ratio to a large extent. Discrete thicknesses are employed as design variables for thickness optimization so that the thicknesses of the plates of a trailer can be included in those of commercially available high-strength steel products. The final model has a 29% reduction in total mass, a 21% decrease in mean compliance with a uniform bending load, and a 169% increase in torsional frequency.     

A dynamic stiffness element for free vibration analysis of composite beams and its application to aircraft wings

The dynamic stiffness matrix of a composite beam that exhibits both geometric and material coupling between bending and torsional motions is developed and subsequently used to investigate its free vibration characteristics. The formulation is based on Hamilton’s principle leading to the governing differential equations of motion in free vibration, which are solved in closed analytical form for harmonic oscillation. By applying the boundary conditions the frequency dependent dynamic stiffness matrix that relates the amplitudes of loads to those of responses is then derived. Finally the Wittrick-Williams algorithm is applied to the resulting dynamic stiffness matrix to compute the natural frequencies and mode shapes of an illustrative example. The results are discussed and some conclusions are drawn. The theory can be applied for modal analysis of high aspect ratio composite wings and can be further extended to aeroelastic studies.