无轴承旋翼／减摆器的气动弹性力学研究

将无轴承旋翼的主桨叶、柔性梁和套管3个部分各自离散成若干梁单元,并将桨叶运动的物理坐标转换为挥舞、摆振、扭转方向的模态坐标,根据Hamilton原理建立旋翼气弹分析的动力学模型．采用Newton-Raphson迭代方法,用时间有限元法进行旋翼稳态响应的数值求解,并根据时域非线性黏弹减摆器模型,在直升机定常前飞条件下配平计算旋翼／黏弹减摆器耦合系统非线性气弹周期响应,然后基于Floquet理论进行稳定性分析,并讨论了桨叶载荷系数对旋翼稳定性的影响．结果表明：该减摆器模型能充分提高摆振阻尼,从而改善无轴承旋翼的稳定性．     

考虑耦合变形的无轴承旋翼气弹稳定性分析

无轴承旋翼存在强烈的非线性扭转-弯曲耦合变形。推导了桨叶的非线性应变-位移关系,应用Hamilton原理建立了多路传力的无轴承旋翼桨叶运动的有限元方程,气动力模型采用二维准定常片条理论,考虑了耦合变形对桨叶轴向弹性位移的影响,并构造了一个新的15自由度梁单元,分析了悬停状态下的无轴承旋翼气弹稳定性。数值结果表明:考虑耦合变形对轴向弹性位移的影响可以提高悬停状态下的无轴承旋翼气弹稳定性分析的精度。     

柔性梁刚度对无轴承旋翼桨叶动态特性的影响

推导了桨叶的应变-位移关系,应用Hamiton原理建立了多路传力的无轴承旋翼桨叶运动的有限元方程,考虑了桨叶、柔性梁、扭矩套的位移协调条件和非线性变形耦合及摆振销的影响,并构造了一个新的15自由度梁单元,得到了旋翼桨叶固有频率求解的方程,重点研究了柔性梁刚度特性对旋翼桨叶固有频率的影响。数值结果表明:柔性梁剖面的模态刚度发生变化时,模态频率变化较小,高阶模态频率变化比低阶大,其它模态频率变化很小,耦合现象不明显。     

考虑机体动力特性的前起落架摆振分析

以某型客机为对象,研究了飞机滑跑时前起落架的摆振稳定性问题。首先建立了考虑机体动力特性的起落架摆振动力学方程组,之后将某型客机参数带入方程组求解得到了该型机前起落架滑跑临界阻尼、临界速度及发生摆振的频率范围。研究结果表明,该机滑跑时出现的摆振失稳问题为减摆器阻尼不够而引起的轮胎型摆振,且该摆振与机体振动模态形成了耦合共振,可以通过增大减摆阻尼避免此问题。同时,还研究了机体结构弹性、轮胎刚度对起落架摆振特性的影响规律。起落架摆振临界速度、最大临界阻尼值及摆振频率随着轮胎扭转及侧向刚度的增大而增大;而机体弹性使飞机起落架的摆振频率更低,且摆振稳定区变小,更易发生摆振现象。因此在研究现代新型大型客机起落架摆振稳定性问题时,不能忽略机体动力特性的影响。     

变转速倾转旋翼机多体系统气弹响应分析

基于多体动力学方法建立了考虑机翼/旋翼刚柔耦合的倾转旋翼机过渡状态气弹响应分析模型,通过引入倾转过程旋翼尾迹弯曲影响,修正了直升机旋翼常规动态入流模型.集成非定常动态入流方程与倾转过渡状态的多体动力学方程,建立了倾转旋翼机过渡状态下时域非定常耦合分析模型.以半展长弹性机翼全铰接式倾转旋翼机模型为例,分析了倾转旋翼机倾转过渡状态气弹响应时间历程.数值计算表明:建立的时域模型能够快速有效分析了倾转旋翼机过渡状态的气弹特性,能够捕捉变转速倾转旋翼机的机翼/旋翼间复杂的气弹耦合特性.     

悬停状态旋翼桨尖涡IDDES方法数值模拟研究

开发了一套适用于悬停状态旋翼桨尖涡高精度数值模拟研究的计算分析程序。采用五阶Roe-WENO格式来降低旋翼尾迹区域内的数值耗散。采用结构网格动态面搭接技术实现旋翼的旋转运动,同时该技术还解决了对流动关注区域进行网格加密引起远场网格数量剧增的问题。针对RANS方法对复杂湍流流动模拟能力不足的问题,对RANS/LES混合方法进行了研究,开发了基于IDDES方法的计算程序。首先以串列双圆柱绕流问题为算例,验证了所采用的IDDES方法和面搭接技术的可靠性。然后分别采用RANS方法和IDDES方法针对旋翼悬停状态流场进行了数值模拟对比分析,从旋翼桨尖涡的涡强度、涡核位置、涡核直径以及桨尖涡涡核附近气流速度型分布等方面对旋翼桨尖涡结构的细节特征进行了比较系统的分析。计算结果表明,在相同的网格分布下,IDDES方法计算得到的结果较RANS方法更为接近实验结果,同时IDDES的计算结果还捕捉到了与实际情况相符的细小蠕虫涡结构与桨尖涡的“涡对”等细节现象,有利于深入研究旋翼绕流机理及相关问题。     

单层球面网壳风振分析的多模态效应

为研究网壳结构风振响应的主要贡献模态分布规律及模态耦合效应,有利于提高结构风振响应的计算效率,利用Ritz-POD法,综合考虑各结构振型自身参振能力的强弱及其与脉动风压空间分布模式之间的关系来识别单层球面网壳风振的主要贡献模态;利用模态广义位移协方差矩阵的特性分析其模态耦合效应.结果表明,单层球面网壳存在高阶主要贡献模态,该高阶振型通常处于结构自振频率发生突变的位置;网壳结构的风振响应以模态自相关为主,模态耦合效应相对较弱,对结构动力响应的影响大致为10%.     

基于整体变形特征线的车身模态解析评价方法

针对客车车身结构的特点,提出一种基于变形特征线的整体模态解析评价算法,能快速将客车车身结构的整体一阶弯曲和一阶扭转模态从复杂的局部模态中解析出来,使车身整体模态的提取、分析与评价更少地依赖于计算者的经验、更加客观真实,并以某大型承载式客车的车身模态解析为实际算例,采用统计学方法拟合其整体变形特征线,解析出整体一阶弯曲和一阶扭转模态,验证了本方法的有效性.     

大型风力机叶片三维建模及模态分析

对大型风力机叶片开展了三维建模和模态分析。先确定叶片几何参数,再将其翼型平面坐标转换为空间坐标,并通过Proe生成叶片三维几何模型。采用模态提取方法 Block Lanczos法对叶片进行模态分析,得出了叶片的前10阶模态,结果显示叶片的主要振动形式为挥舞和摆振,有较强的抗扭转能力,设计中应加强叶片的弯曲刚度。这为大型风力机叶片的设计和优化提供参考。     

VED支承转子的模态频率及稳定性研究

为了研究两端黏弹性橡胶阻尼器（VED）支承单盘转子系统的动力学特性，建立了轮盘位于1/3轴跨处的转子系统有限单元模型。通过求解转子系统的复特征根问题，获得转子系统的模态振型。分析模态频率和阻尼比随转速的变化规律，讨论阻尼器支承刚度、损耗因子和质量参数对模态频率和阻尼比的影响。结果表明，转子系统的阻尼器支承刚度和损耗因子分别存在一个最优值，使得工作转速远离模态频率，并提高了转子系统的稳定性；质量参数对一阶模态阻尼比的影响较小；当质量参数超出某有效区间时，系统将失去对高阶模态响应的衰减作用。     

基于脉冲激励响应的风力机叶片结构阻尼计算

针对大型风力机叶片气弹振动问题,提出一种基于脉冲响应的大型风力机柔性叶片结构阻尼有效分析方法.采用一种5自由度的超级单元,将柔性叶片离散成由若干超级单元构成的多体系统,基于计算多体系统动力学中的R-W方法建立了叶片的动力响应模型.以美国可再生能源实验室(NREL)发布的5 MW近海风力机叶片为研究对象,通过分析叶片在脉冲激励下的动力学响应得到其传递函数,由半功率带宽法计算叶片在静止和运转工况下的挥舞与摆振结构阻尼,从而为确定叶片气弹稳定性的边界提供依据.该研究对于指导叶片结构与气动外形设计、帮助确定其气弹稳定性边界具有重要意义.     

三角翼滚转运动下的抖振特性分析

建立了流动控制方程,结构动力学方程与滚转运动方程多学科耦合仿真系统,研究了三角翼滚转情形下的抖振现象.采用N-S方程求解非定常气动力,模态叠加法计算结构动力学方程,数值模拟了60°后掠三角翼无滚转时的气动弹性响应.得到的抖振加速度均方根与实验结果吻合良好.与无黏计算结果的对比表明,空气黏性对抖振加速度起到一定的抑制作用.引入滚转运动方程,模拟了三角翼滚转运动影响下的抖振响应.与无滚转情形相比,滚转运动下流场与低频模态间的耦合效应大幅增强,抖振振幅与加速度均方根比无滚转时明显增大.此外,非对称涡流流场使得背风面的气动载荷和抖振加速度高于迎风面.研究结论可供三角翼结构设计和疲劳分析参考.     

基于风载激励下桥梁结构模态参数识别

对桥梁结构长期运营造成的损伤进行检测时,传统的模态参数识别方法需要激振设备和中断交通,不仅复杂而且易给桥梁结构造成新的损伤。依据模态参数的变化可反映损伤程度的原理,提出无需激振设备的基于风载激励下随机减量／ITD法进行模态参数识别的在线检测方法,为桥梁结构损伤识别提供一种新的途径。识别的一阶固有频率及阻尼比的相对误差仅为1．39％和2．3％。     

长螺旋打桩机三环减速器内齿环板动态特性分析

为研究长螺旋打桩机三环减速器内齿环板的动态特性,利用Ansys workbench软件建立了该减速器的三相内齿环板的有限元模型,对模型进行了模态分析,得到了固有频率和振型,分析了弯曲、扭转及耦合振动特性。结果表明:内齿环板表现出很强的模态密集行为,前1～10阶主要以弯曲振动为主,第11～20阶大多表现出明显的耦合振动特性,主要振幅变形量集中在第2相内齿环板,最大变形量4.608 6 mm,频率为1 830.8 Hz,为长螺旋打桩机专用的三环减速器的结构改进及动态结构优化设计提供一些依据。     

基于CFD/CSD耦合的连结翼静气动弹性计算研究

针对某连结翼布局无人机,采用松耦合方式,耦合计算流体力学(CFD)和计算结构动力学(CSD)对其静气动弹性进行了计算研究;CFD求解模块采用非定常雷诺平均N-S方程,CSD模块采用直接积分法求解结构动力学方程,在时域内推进求解,收敛后获得静气弹计算结果。研究表明:连结翼静气弹变形后,前翼发生负扭转,后翼发生正扭转,前翼升力损失,后翼升力增加;无论是刚体构型还是静气弹变形后,前翼和后翼的展向升力系数分布规律均存在很大差异;静气弹变形使得连结翼升力线斜率增大4.3%,纵向静稳定性导数增大145.8%,但会带来较大的低头力矩增量;与单独前翼对比表明,连结翼后翼大大限制了前翼的负扭转变形,使得升力损失降低为单独前翼的21%;与单独后翼对比表明,连结翼前翼大大限制了后翼的正扭转变形,降低了后翼扭转发散的风险;研究结果揭示了连结翼布局特殊的静气动弹性特性,对连结翼的气动/结构设计具有一定的工程指导价值。     

环境激励下特高压输电塔线体系气动阻尼的识别

结合±800 kV特高压直流输电线路气弹模型的风洞试验,利用经验模态法、随机减量法及H ilbert变换法识别环境激励下气弹模型的结构参数.研究输电单塔及塔线体系在不同风速下气动阻尼及固有频率的变化特性.结果表明:在环境激励下,结构频率有随风速减小的趋势,而气动阻尼比有明显增加,特别是塔线体系较单塔更为显著;塔线体系的频率及阻尼比较单塔均有提高,阻尼比提高较为明显,随着风速的增加,气动阻尼变化明显,气动阻尼对风振响应的影响应引起重视.     

风力机塔架-叶片耦合结构与单个叶片模态参数对比研究

存在的大多数叶片的动力学模型忽略了塔架和叶片的耦合作用,为了保证风力机叶片在过大风载下具有足够的结构稳定性,文中建立了5 MW风力机塔架-叶片耦合结构的整体模型,提出了塔架-叶片耦合结构的动力学方程,基于不同结构的固有频率和振型参数,分析了风力机塔架-叶片的耦合作用对叶片结构振动的影响。分析结果表明：塔架-叶片耦合结构的主要模态频率相比单个叶片的主要模态频率要小55%～84%;耦合结构和单个叶片的前4阶振型性态相同。     

柔性螺旋桨非定常流场及结构动态响应数值计算

为了研究柔性材料螺旋桨的非定常流场特性和结构振动响应,本文采用非定常CFD/FEM流固耦合方法,对均匀来流下各向同性材料柔性螺旋桨的动态特性进行了数值计算。分析了流场非定常波动量和结构振动响应之间的关系,明确了柔性叶片振动特性和流固耦合的机理。结果表明:非定常梢涡的生成与耗散对流场的波动影响较大,而相较流场负载波动,叶片前两阶湿模态频率对结构振动影响更大;柔性桨的推力波动可分解为受静压变形后的刚性桨所产生的推力与高阶频率的流场压力波动的叠加,而在均匀来流中后者数值不大,因此使用稳态流固耦合方法求解柔性桨的敞水性能是合适的。     

考虑气动弹性影响的机翼复杂气动外形设计研究

根据气动-结构一体化设计思想,结合机翼在真实飞行条件下受到气动载荷产生弹性变形的问题,进行了一种考虑静气动弹性影响的复杂机翼气动外形反设计方法研究.气动载荷及机翼结构弹性变形由基于非结构网格的三维Euler方程耦合结构力学平衡方程求解得到;用Takanashi余量修正方法作为机翼反设计方法,进行"复杂机翼气动弹性分析-简单光滑机翼反设计"循环迭代设计.以某型带有挂架及翼梢小翼的支线飞机大展弦比机翼作为设计算例,设计结果表明发展的设计方法是可行的,具有很高的工程实践意义和实用性.     

硅微陀螺的静电-结构耦合分析与模拟

硅微陀螺是一个涉及力、电和流体等多个能量域的复杂系统，设计过程中综合考虑这些能量域的耦合作用有利于预测和改善陀螺的系统性能。本采用半解析的方法分析了陀螺中的静电-结构耦合问题，引入机电转换单元模拟了偏置电压对驱动模态和敏感模态频率的影响。结果表明基于半解析的耦合分析方法能准确快速地求解微陀螺的静电-结构耦合问题。