大展弦比机翼非线性颤振特性研究

为了研究大展弦比机翼水平弯曲模态参与耦合时的颤振特性,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,建立了大展弦比机翼非线性颤振分析的简化模型,即盒段模型;然后通过组合不同的水平弯曲频率、扭转频率形成不同的接近模式,系统分析了不同接近模式对盒段模型非线性动力学特性的影响规律,提出了水平弯曲频率和扭转频率发生模态交换的存在条件。在此基础上通过对盒段模型进行非线性颤振分析发现: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,增大水平一弯的频率有助于该类颤振速度的提高;在水平一弯频率和扭转频率逐步接近时,会导致机翼颤振速度显著下降,且颤振类型会由水平一弯和垂直弯曲耦合的颤振转化为水平一弯和扭转耦合的颤振。     

高速小展弦比机翼颤振的微分求积法分析

引入微分求积法,分析高速小展弦比机翼的气动弹性问题。将小展弦比机翼等效为悬臂板,基于一阶活塞气动力理论建立机翼颤振偏微分方程,采用微分求积法将偏微分方程转化为常微分方程,根据频率重合理论对颤振问题进行求解。分析了机翼的固有频率及颤振速度,并与有限元软件计算结果进行比较,误差在2％以内,很好的验证了微分求积法求解小展弦比机翼颤振问题的有效性。分析了机翼面积、展弦比及厚度对颤振速度的影响,结果表明,小展弦比机翼的颤振速度受结构尺寸的影响较大,颤振速度随面积和展弦比的增大而减小,随机翼厚度的增大而增大。     

外挂物对大展弦比直机翼颤振特性的影响

为提高带外挂物大展弦比直机翼的颤振速度,基于假设模态法提出一种带集中质量弯扭组合梁模态分析手段,结合片条理论考察外挂物不同质量及布置形式对机翼颤振特性的影响。首先,基于弯扭组合梁建立带外挂物大展弦比直机翼的结构动力学模型,并利用假设模态法得到其弯曲和扭转模态。其次,引入片条理论近似计算有限翼展升力面的气动力,调整外挂物的质量、数目及其在机翼展向和弦向的相对位置,得到外挂物对机翼颤振特性的影响规律。最后,利用在机翼前缘附近悬吊小质量外挂物可提高机翼颤振速度的优势,探究颤振速度恢复方法并提出颤振速度恢复的优化问题,使得携带外挂物的机翼与不携带外挂物的机翼颤振速度基本相同。研究结果表明,外挂物的不同悬挂方式可引起机翼颤振模态的跳转,在以俯仰为颤振主模态的机翼上可调整外挂物位置以恢复原机翼的颤振速度。     

机翼颤振的混合灵敏度H∞鲁棒控制器设计

主动颤振抑制技术是未来弹性飞行器设计中的一项关键技术,越来越受到广泛的关注。但传统的LQG方法鲁棒性很差,限制了其实际应用。本文采用混合灵敏度H_∞控制方法,并结合回路成型技术设计了机翼颤振抑制的鲁棒控制器。此方法直接针对回路的灵敏度函数和补灵敏度函数性质,根据颤振抑制系统期望的回路频域特性要求,通过选择合适的加权函数形状获得了满意的闭环系统性能,从而实现对颤振的鲁棒抑制。其特点是能够方便直观的获得系统所期望的频域性能,并具有良好的鲁棒性和抑噪能力,非常有利于工程实用。最后利用典型的二维机翼俯仰沉浮气动弹性系统模型,分别采用混合灵敏度H_∞控制器和LQG控制器对机翼颤振进行抑制。仿真结果表明,本文所设计的控制器将颤振速度提高了12.2％,能够更加有效地抑制机翼颤振。     

考虑几何非线性的复合材料机翼气动弹性分析

本文研究结构几何非线性与气动力非平面效应对大展弦比复合材料机翼的气动弹性行为的影响．将非线性有限元法与曲面涡格法结合，计算机翼静气动弹性变形；通过曲面偶极子格网法结合静气动弹性平衡位置处的结构切线刚度，建立气动弹性方程并求解得到机翼颤振速度．针对板模型机翼，分析了迎角对机翼几何非线性气动弹性特性的影响．结果表明：本文复合材料板模型机翼的颤振形式不受水平弯曲模态影响，属于经典弯扭颤振；在几何非线性的影响下，机翼扭转频率随结构变形增大而明显减小，颤振速度随迎角增大而减小．     

联接刚度对机翼／外挂系统颤振边界特性的影响

本文对带外挂物二元机翼的颤振特性进行了理论和实验研究,主要分析机翼与外挂物之间俯仰联接刚度对颤振边界的影响。在大量算例的分析基础上,给出了颤振频率及颤振边界变化的一般规律及对颤振边界类型的一般判别方法,颤振模型的风洞实验验证了理论分析结果的正确性。     

翼型颤振压电俘能器的输出特性研究

压电俘能器能够为自然界中低功率的微机电系统持续供能. 为了模拟机翼的沉浮?俯仰二自由度运动和有效俘获气动弹性振动能量, 本文提出一种新颖的翼型颤振压电俘能器. 基于非定常气动力模型, 推导翼型颤振压电俘能器流?固?电耦合场的数学模型. 建立有限元模型, 模拟机翼的沉浮?俯仰二自由度运动, 获得机翼附近的涡旋脱落和流场特性. 搭建风洞实验系统, 制作压电俘能器样机. 利用实验验证理论和仿真模型的正确性, 仿真分析压电俘能器结构参数对其气动弹性振动响应和俘获性能的影响. 结果表明: 理论分析、仿真模拟和实验研究获得的输出电压具有较好的一致性, 验证建立数学和仿真模型的正确性. 仿真分析获得机翼附近的压力场变化云图, 表明交替的压力差驱动机翼发生二自由度沉浮?俯仰运动. 当风速超过颤振起始速度时, 压电俘能器发生颤振, 并表现为极限环振荡. 当偏心距为0.3和风速为16 m/s时, 可获得最大输出电压为17.88 V和输出功率为1.278 mW. 功率密度为7.99 mW/cm3, 相比较于其他压电俘能器, 能实现优越的俘获性能. 研究结果对设计更高效的翼型颤振压电俘能器提供重要的指导意义.      

两种湍流模型时域颤振计算方法研究

采用时域计算分析方法进行了机翼跨音速颤振特性研究。在结构运动网格的基础上,采用格点格式有限体积方法进行空间离散和双时间全隐式方法进行时间推进求解雷诺平均N-S方程。针对流动粘性分别应用了SST湍流模型和SSG雷诺应力模型,通过对跨音速标模算例AGARD445.6机翼的计算结果与实验值的对比分析,其中应用SST湍流模型得到的颤振速度与实验值最为接近,特别是在跨音速段平均相对误差在3%以内;并且计算结果整体上反映了跨音速颤振"凹坑"物理特性,验证了方法的有效性。     

复合材料机翼/外挂系统颤振特性分析

综合考虑复合材料机翼的材料耦合和几何耦合的特点,利用Hamilton原理建立了非定常气动力作用下复合材料机翼/外挂系统的气动弹性运动方程。采用微分求积法进行离散,运用MATLAB语言编程对系统响应进行数值仿真。计算结果表明:用微分求积法计算复合材料机翼的颤振特性是可行的;随材料耦合刚度的增加,机翼的颤振临界速度出现了双峰值;而对于复合材料机翼/外挂系统,颤振临界速度随材料耦合刚度的变化规律较为复杂,与外挂参数的设置相关。     

基于非定常N-S方程的三维机翼颤振特性研究

本研究采用N-S方程为控制方程,求解三维机翼的非定常气动力,并与颤振方程耦合迭代计算,求解机翼广义坐标响应的时间历程,根据广义坐标的时间历程的衰减、等幅和发散振荡等情况确定机翼颤振临界条件.以某导弹翼面作为算例,计算结果与实验结果和理论分析相吻合.     

某飞机机翼颤振模型模态测试及分析

以某飞机机翼颤振缩比模型为研究对象,通过纯模态测试得到试验件前九阶模态参数。建立机翼梁架有限元模型并进行计算,得到各阶模态振型及频率。将各阶模态的计算结果与试验结果进行对比,频率的计算结果与纯模态试验值的误差均在5%以内,主要模态的振型计算结果与试验结果也基本一致,验证了有限元计算模型的准确性。在此基础上可以进行下一步的颤振分析,且试验结果可以作为机翼颤振模型风洞试验的参考依据。     

大展弦比后掠机翼静气弹效应对气动载荷的影响实验与分析

通过实验与理论分析结合的方法,针对静气弹效应对大展弦比后掠机翼气动载荷影响的问题进行了研究。加工了三副刚度各不相同的机翼,在一系列工况中进行风洞实验,对各个模型的气动载荷进行测量,通过对比可以得到机翼弹性对气动载荷的影响量。在理论分析中通过工程梁理论计算弹性机翼变形,通过升力面理论计算弹性变形引起的气动力增量,在二者之间迭代收敛后得到机翼弹性对气动载荷的影响量,并将其与实验结果进行对比。对比结果表明理论分析和实验吻合程度较好,表明了在机翼气动载荷计算中计入静气弹效应后,大展弦比后掠机翼的弯矩会有显著的降低,对于减轻结构重量有重要的意义。     

颤振的增益调度控制实验研究

本文对机翼外挂系统颤振的半主动抑制实验进行了研究分析,在引入电磁阻尼器对风振控制的同时,根据增益调度控制原理设计并制造了控制系统,在风洞实验中实现了电磁阻尼器对系统的颤振半主动抑制,为颤振抑制的实现又提供了一种实验的方法。     

弹性飞行器气动伺服弹性稳定性分析与控制

轻质结构大长细比弹性飞行器开环闭环颤振及控制系统设计是气动伺服弹性稳定性校核与分析的核心问题。本文利用振动模态试验数据修正了弹性飞行器结构有限元模型;使用涡格法进行非定常气动力计算,并利用最小状态法获得了弹性飞行器刚弹耦合频时域状态空间方程。绘制系统状态矩阵特征值随动压变化绘制的根轨迹图对该弹性飞行器开环颤振进行了分析。最后使用线性二次型方法设计了弹性飞行器主动颤振抑制控制律和纵向姿态控制器。仿真结果表明,系统在短的上升时间内实现了对指令的跟随,超调量合理,无静态误差。本文所采用的方法能够满足工程设计需求。     

基于聚合多重网格方法的跨音速颤振的数值模拟

采用流固耦合方法对跨音速颤振进行了数值模拟。流体方面在非结构网格上用有限体积方法求解了Euler方程;结构方面则求解了后掠机翼典型剖面的结构模态方程。时间推进采用双时间步长：对每一真实时间步,都通过基于聚合多重网格方法的伪时间步推进,对流体和结构方程交替迭代．得到一个稳态的流固耦合的解。文章最后给出了NACA64A010翼型剖面的跨音速颤振边界．与相关文献的计算结果符合良好。     

叶轮机械叶片颤振研究的进展与评述

颤振一类气动弹性稳定性问题是叶轮机械设计者关心的主要问题之一. 本文对叶轮机械叶片颤振模型研究的进展进行了回顾, 包括非定常气动模型、结构模型以及颤振的预测方法等内容. 通过对颤振模型研究的介绍, 讨论了不同方法处理颤振这类气动弹性稳定性问题的优缺点. 提出了关于颤振研究目前的不足和部分难点, 认为流固耦合模型的研究值得进一步重点关注.      

翼梢小翼高度影响综合研究

利用有限体积法离散求解雷诺平均Navier-Stokes方程以及气动和结构耦合计算了带2种不同类型翼梢小翼(融合式和鲨鳍式小翼)的翼身组合体构型.重点研究了小翼不同高度对飞机升阻比、机翼压力中心移动量、重量以及颤振特性的影响规律.研究结果表明,因小翼高度增加而带来的结构重量远远低于其有效载重的增量;因小翼高度增加而带来的颤振临界速度的降低在安全余量的范围内是可以调整的.因此,在设计小翼时与结构、重量和颤振的权衡中,建议高度的选择尽量优先满足纵向的升阻特性,以发挥其减阻潜力.     

柔性机翼颤振的次最优控制

柔性机翼颤振的主动控制中,控制器的阶数一般较高,并且空气动力状态是不可测的.本文采用基于部分状态反馈的次最优控制方法对柔性机翼的颤振主动控制进行了研究,并与基于全状态反馈的最优控制方法进行了对比.首先,建立了带有控制面的柔性机翼的气动伺服弹性状态方程,并设计了全状态反馈最优控制律;然后,使用控制性能指标关于反馈增益的二阶灵敏度确定系统各个状态的重要程度,选择出用于控制反馈的重要状态,并根据所选择的重要状态设计了次最优反馈控制律;最后,通过数值仿真将基于部分状态反馈的次最优控制律与基于全状态反馈的最优控制律的控制效果进行了对比.仿真结果显示,二阶灵敏度能够有效地显示出各个状态的重要程度,次最优控制律能够取得与最优控制律基本相同的控制效果.本文所设计的次最优控制律中不含空气动力状态,且控制器阶数低,更具工程意义.     

地面颤振试验系统气动插值点优化配置方法研究

地面颤振试验(ground flutter test, GFT)系统采用少量激振器模拟连续分布气动力，为实现气动插值点的缩聚，推导了地面颤振试验系统的控制方程，对比了GFT系统和原颤振系统控制方程在广义力项区别，定义了激/测振点位置优化的目标函数；为了提高插值精度，充分利用结构振动已知信息，提出了虚拟激/测振点技术；采用分群粒子群算法兼顾局部寻优和全局寻优，搭建优化流程，对插值点进行优化配置。基于平板机翼开展了GFT系统激/测振点位置优化计算，构建了地面集中气动力并进行了颤振特性测试试验。试验结果表明，本研究提出的方法精度较高，满足地面颤振试验的需求。     

机翼刚心位置对回转颤振稳定性边界的影响分析

基于哈密顿原理,建立了适合快速开展回转稳定性设计参数评估的倾转旋翼/短舱/机翼多体气弹耦合动力学分析模型,并通过参数影响分析,获得机翼刚心位置前移有利于提高倾转旋翼机回转颤振稳定性边界的重要结论。所建立的分析方法和获得的结论,对工程设计具有重要的指导意义,可以在机翼气动外形约束条件下,通过调整机翼内部结构特性,合理将机翼的刚心位置向机翼前缘移动,达到提高该构型飞行器回转颤振稳定性裕度的目的。