旋翼/机身耦合问题的CFD/CSD分析方法

提出了一种高精度的直升机旋翼/机身耦合系统振动响应分析方法。通过非定常Euler/N-S方程与准定常气动力相结合的方法来进行弹性旋翼流场分析,利用CSD软件建立精细的机身三维结构有限元模型,用15自由度非线性中等变形梁单元来建立旋翼动力学模型,最后采用带配平的松耦合迭代方法求解系统响应。以某小型直升机为例,分析了悬停状态下机身典型位置的振动响应,计算结果与实验值吻合良好。研究了前飞速度和机身弹性运动对机身振动水平的影响,结果表明,在小速度和大速度前飞时,机身振动响应随前飞速度的增加而增大;在中等速度段,机体振动水平则基本保持不变。     

基于CFD/CSD耦合的超声速舵面动载荷计算

该文分析了超声速气动控制舵面在瞬态气动载荷作用下的位移及应力的时域变化.采用基于Volterra级数的气动弹性系统降阶模型快速获得了舵面的颤振边界.通过CFD/CSD耦合计算,确定了舵面在颤振速度下的瞬态气动载荷,并利用参数空间下的有限元四结点方法将每一时刻的气动载荷插值并施加到结构结点上,进行了瞬态响应分析,得到了舵...     

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     

用壁板颤振理论解决某系列飞机的方向舵蒙皮裂纹故障

高速飞行器部件多采用轻质薄壁加筋结构,当飞行器长时间跨音速或低超音速飞行时,这种薄壁结构在非定常气动载荷的作用下会表现出强非线性的流固耦合特征,其中激波运动、边界层效应、流动分离等流场非线性与几何大变形等结构非线性相互耦合作用会使壁板产生失稳行为,引起结构疲劳或损毁。该文基于CFD/CSD耦合数值模拟技术,预测和判别壁板在跨音速气流中随马赫数变化过程中响应形态,发现在跨音速区内会出现明显的单模态颤振形式。随马赫数的增大,其形态演化次序为稳态收敛、第一模态极限环振荡、屈曲、稳态收敛、跨音速颤振、非共振型极限环振荡、共振型极限环振荡、高频周期振荡、高频非周期振荡、第一模态极限环振荡到稳态收敛的过程。当壁板厚度增加、来流密度减小,演化形态会发生变化。同时,当考虑非定常加速效应和粘性效应后,会出现一定的延迟和阻尼效应,对高频非周期振荡起到抑制作用,这对于降低结构的疲劳损伤有积极效果。     

跨音速流中壁板流固耦合效应的形态演化分析

高速飞行器部件多采用轻质薄壁加筋结构,当飞行器长时间跨音速或低超音速飞行时,这种薄壁结构在非定常气动载荷的作用下会表现出强非线性的流固耦合特征,其中激波运动、边界层效应、流动分离等流场非线性与几何大变形等结构非线性相互耦合作用会使壁板产生失稳行为,引起结构疲劳或损毁。该文基于CFD/CSD耦合数值模拟技术,预测和判别壁板在跨音速气流中随马赫数变化过程中响应形态,发现在跨音速区内会出现明显的单模态颤振形式。随马赫数的增大,其形态演化次序为稳态收敛、第一模态极限环振荡、屈曲、稳态收敛、跨音速颤振、非共振型极限环振荡、共振型极限环振荡、高频周期振荡、高频非周期振荡、第一模态极限环振荡到稳态收敛的过程。当壁板厚度增加、来流密度减小,演化形态会发生变化。同时,当考虑非定常加速效应和粘性效应后,会出现一定的延迟和阻尼效应,对高频非周期振荡起到抑制作用,这对于降低结构的疲劳损伤有积极效果。     

基于CFD/CSD耦合的声气动弹性时域仿真

传统的声振环境,只考虑了给定声场环境下的结构响应分析,这个给定的声场孤立于结构本身,忽略了声场、结构、流体的耦合效应,因此声气动弹性耦合这种多力学场的研究具有重要意义.基于此,提出了一种基于CFD/CSD 耦合的声气动弹性数值仿真策略,相比传统的声振环境预示方法,该方法考虑了声载荷(脉动压力场)与结构的耦合关系.该文首先采用有限体积法离散Euler方程,对二维的NACA0012 翼型进行求解,来验证非定常气动力的准确性.然后通过CFD/CSD 耦合计算三维AGARD445.6 机翼的非定常气动力,在时域内推进结构运动方程,得到弹性响应的结构历程,记录每一时刻的气动载荷,并运用声气动弹性分析的思想对机翼表面的声压级进行计算,证实了声气动弹性分析方法的可行性.     

CFD/CSD耦合声气动弹性时域仿真研究

提出了一种基于计算空气动力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合的声气动弹性时域仿真方法。空气动力学和气动声学分别采用大涡模拟和Lighthill声比拟理论进行计算,结构动力学采用模态叠加的方法进行计算。以运载器舱体为研究对象,通过计算得到了舱体结构响应的时间历程,分析了舱体表面由于涡的破碎和融合的演变所产生脉动压力引起结构瞬态响应的机理。通过对中低频段声气动弹性的分析应用,验证了CFD/CSD耦合的声气动弹性计算方法的可行性。     

时域CFD/CSD耦合方法能量精度分析及应用

研究两类时域计算流体力学/计算结构力学（CFD/CSD）耦合方法：串行分区方法和并行分区方法。从耦合界面能量守恒的角度分析不同耦合方法对能量守恒误差的影响。在非同位方法和并行分区方法的基础上提出非同位并行分区方法。使用不同的耦合方法,对二维气动弹性算例Isogai Wing进行计算,结果表明减小耦合界面上的能量守恒误差可以有效的提高计算精度,效率高于紧耦合方法;非同位分区方法的能量守恒误差小于同位分区方法,并且可以使控制方程满足界面连续条件;非同位并行分区方法继承非同位分区方法和并行分区方法的全部优点,采用该方法计算颤振边界,和文献结果吻合。     

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.     

地效翼的颤振特性研究EI北大核心CSCD

地面效应是指当机翼贴近地面飞行时,由于受到地面的干扰作用而引起升力增加和阻力降低的现象。研究地面效应对颤振的影响规律。建立基于计算流体力学/计算结构力学耦合的颤振计算方法,采用标模AGARD 445.6机翼对颤振计算方法进行验证。在此基础上,以贴近地面的三维机翼为研究对象开展颤振分析,研究指出地面效应增强了非定常气动力的幅值,而且离地越近这种效果就越明显,从而导致颤振速度随着离地高度的降低而减小。然后重点讨论了攻角对地效翼颤振的影响,与不考虑地效的经典线性颤振理论不同,指出地效翼的颤振速度与攻角有关,在地效区域内,增加机翼的攻角会使发生颤振时的静变形变大,导致机翼抬起和离地高度增加,地效减弱,使得颤振速度随攻角的增大而提高。     

基于特征正交分解的三维壁板非线性颤振分析

基于von Karman 大变形理论及活塞理论建立超音速流中壁板的气动弹性方程。采用特征正交分解法 (POD)结合向伽辽金法(Galerkin)的映射这样一种半解析法建立降阶模型(ROM)求解三维壁板的非线性气动弹性问题,并与传统的Galerkin法对比。发现并证明了POD数值模态与伽辽金法简谐基函数之间转换矩阵的正交性,从而简化了POD降阶模型的建立过程。通过数值算例考察了POD法的准确性、收敛性及高效性。结果表明POD降阶模型能够以更少的模态,更高的计算效率达到与Galerkin法同样的精度。以长宽比4为例,POD法以2个模态,3s的时间计算了壁板的振动响应;而Galerkin法需要16个模态,900s的时间。     

桥梁颤振概率性评价的随机有限元法

在桥梁的各种风振形式当中,颤振对桥梁的安全威胁最大,而在各种随机因素作用下的桥梁颤振概率性评价也受到了人们的重视。为了计算大跨度桥梁的颤振失效概率,推出了一种结合有限元分析和可靠度计算理论的随机有限元方法,考虑了质量、刚度、阻尼和颤振导数等随机因素对颤振临界风速的影响,并对我国第一座真正意义上的大跨度海上桥梁——东海大桥颗珠山斜拉桥进行了颤振可靠性分析。     

基于双向流固耦合的机载导弹分离动力学研究

导弹与载机之间的安全与稳定分离过程对导弹飞行稳定性和载机安全具有非常重要作用。为了研究大长径比机载导弹弹射分离过程中与载机之间的相互干扰以及导弹在分离过程中相对于载机的运动轨迹,该文分别使用刚体六自由度（6DOF）方法和计算流体力学/计算结构动力学（CFD/CSD）双向流固耦合方法对典型空空导弹发射分离过程进行了数值模拟,刚体6DOF方法基于对流体力学控制方程与外弹道6DOF运动方程的耦合求解,而CFD/CSD双向流固耦合方法基于对流体力学控制方程与结构运动方程的耦合求解。两种方法得到了导弹分离时的整个气动流场及其变化特性,揭示了不同时刻导弹气动系数随时间的变化曲线和导弹弹道参数,比较与分析了两种计算结果的异同,并对导弹结构弹性变形对其分离运动的影响进行了讨论。     

基于X-SBFEM的裂纹体非网格重剖分耦合模型研究

扩展有限元法利用了非网格重剖分技术,但需要基于裂尖解析解构造复杂的插值基函数,计算精度受网格疏密和插值基函数等因素影响。比例边界有限元法则在求解无限域和裂尖奇异性问题优势明显,两者衔接于有限元法理论内,可建立一种结合二者优势的断裂耦合数值模型。该文从虚功原理出发,利用位移协调与力平衡机制,提出了一种断裂计算的新方法X-SBFEM,达到了扩展有限元模拟裂纹主体、比例边界有限元模拟裂尖的目的。在数值算例中,通过边裂纹和混合型裂纹的应力强度因子计算,并与理论解对比,验证了该方法的准确性和有效性。     

考虑热松弛的热弹耦合二维问题的有限元法

为了解决利用积分变换方法在求解Lord-Shulman (L-S)型广义热弹性耦合二维问题时由于数值反变换所引起的计算精度降低的问题,该文采用新近被应用的直接有限元方法,求解了基于L-S型广义热弹性理论的半无限大体受热冲击作用的动态响应问题,结果表明,该方法对求解L-S型广义热弹性耦合二维问题具有很高的精度。该文给出了L-S型广义热弹性理论下的热弹耦合的控制方程,建立了L-S型的广义热弹性问题的虚位移原理,推导得到了相应的有限元方程。经计算得到了半无限大体中无量纲温度、位移及应力的分布规律,从温度分布图上可以清晰地观察到热波波前的特有属性,即热波波前处存在温度突变。     

几何非线性假设下温度大范围变化瞬态热力耦合问题研究

传统的基于几何非线性假设的瞬态热力耦合计算方法由于忽略了几何非线性对耦合项的影响,在温度随时间剧烈变化的情况下结构传热与变形之间存在的耦合关系不能被真实的反映。针对上述问题,采用Galerkin和Newmark算法建立了一种能够在几何非线性假设下精确反映温度剧烈变化情况下结构传热与变形间耦合效应的瞬态热力耦合有限元方法。通过对各向正交异性材料薄板在热环境下的动力学问题的求解验证了该方法的准确性,并基于该方法对某型高超声速飞行器热防护系统的蜂窝结构进行了瞬态热力耦合计算。结果表明：热力耦合项使温度变化产生很小的波动,导致温度变化率发生震荡,其振动幅值与耦合项相关;热力耦合项对结构振动起到衰减作用,使结构形变速度趋于衰减,其衰减程度与结构温度成正比;几何非线性假设对增大结构温度变化率振幅作用显著,并且能够增大结构振动速度,影响热结构变形大小。