时变系统地面颤振模拟试验方法研究

地面颤振模拟试验是一种颤振验证的全新试验技术,可作为当前颤振验证试验手段的有效补充。飞行器在实际飞行过程中,结构的动力学特性及承受的载荷是不断变化的,对于受气动加热影响的高超声速飞行器,这一时变特性则更加显著。本研究提出了基于代理模型的时变参数非定常气动力模型建模方法,建立了基于PID控制器的时变系统地面颤振试验方法,并通过标准试验件进行测试验证。试验结果表明,本研究提出的非定常气动力建模方法能够准确获得具有时变特性的气动力模型,建立的地面颤振试验方法能够有效应对颤振系统的时变特性获得准确的结构颤振边界数据。     

采用分布式压电驱动器升力面的颤振主动抑制

对采用分布式压电驱动器升力面的颤振主动抑制进行了理论与试验研究.应用 LQG最优控制法设计了主动控制律,在控制律降阶时提出了平衡实现与LK法结合使用的新途径,在对不定常气动力进行有理函数拟合时对LS法进行了改进.试验中利用激光测速仪非接触测量模型的速度响应并在地面共振试验中用压电驱动器激振模型.颤振风洞试验结果表明,理论计算合理并与试验结果吻合良好.     

基于尾迹面法的气动力积分技术研究

基于Roe的空间离散格式,以绕ONERAM6、LANN机翼流场为算例,分别以Euler和N-S方程为主控方程,对尾迹面法气动力积分技术进行初步探讨,重点讨论了尾迹面位置对气动力的影响。引入不同尾迹插值方法,研究了不同插值方法对气动力积分结果的影响,为气动力的精确性计算提供了气动分析平台。研究结果表明:当尾迹面的位置处于机翼后0.5到1.5倍平均气动弦范围内时,此方法具备较好的气动力积分精度;与中心插值相比,基于格心距离加权的流动参数插值有更高的积分精度。     

基于主动控制策略的机翼颤振特性模拟

航空航天飞行器舵翼类结构的气动颤振是一种灾难性的动力学行为.在基于偶极子理论的气动弹性动力学模型中,气动载荷可表达为基于结构动力学响应的一种状态反馈的闭环控制力,控制律取决于翼型的几何参数、材料参数、结构动力学特性以及来流速度等多种条件,通常需通过实际飞行或风洞实验进行辨识与检验.在实验室条件下,以系统动力学响应的模态特征等效为前提,提出了一种基于人工主动控制的方式进行气动载荷下舵翼类结构自激颤振的特征值跟踪策略.建立并讨论了等效系统的非自伴随动力学微分方程及其特征方程的求解过程,并与通用软件的计算结果进行了对比,二者具有较好的一致性.通过优化搜索分别获得了位移和速度的最优反馈点、最优作动点位置及最优反馈增益系数,经对比计算拟合得到风速–位移增益曲线和风速–速度增益曲线,从而实现了由单点反馈、单点作动的集中力的闭环控制等效系统的真实气动力分布控制.仿真算例表明,由此预示的实验过程无需辨识和重构非定常气动力的时域波形,无需其他干预即可实现地面模拟实验,主动控制的效果满足预期,初步实现了自激颤振的特征值跟踪,为进一步推动主动控制模拟实验及颤振参数辨识提供了基础.     

基于主动控制策略的机翼颤振特性模拟

航空航天飞行器舵翼类结构的气动颤振是一种灾难性的动力学行为.在基于偶极子理论的气动弹性动力学模型中,气动载荷可表达为基于结构动力学响应的一种状态反馈的闭环控制力,控制律取决于翼型的几何参数、材料参数、结构动力学特性以及来流速度等多种条件,通常需通过实际飞行或风洞实验进行辨识与检验.在实验室条件下,以系统动力学响应的模态特征等效为前提,提出了一种基于人工主动控制的方式进行气动载荷下舵翼类结构自激颤振的特征值跟踪策略.建立并讨论了等效系统的非自伴随动力学微分方程及其特征方程的求解过程,并与通用软件的计算结果进行了对比,二者具有较好的一致性.通过优化搜索分别获得了位移和速度的最优反馈点、最优作动点位置及最优反馈增益系数,经对比计算拟合得到风速-位移增益曲线和风速-速度增益曲线,从而实现了由单点反馈、单点作动的集中力的闭环控制等效系统的真实气动力分布控制.仿真算例表明,由此预示的实验过程无需辨识和重构非定常气动力的时域波形,无需其他干预即可实现地面模拟实验,主动控制的效果满足预期,初步实现了自激颤振的特征值跟踪,为进一步推动主动控制模拟实验及颤振参数辨识提供了基础.      

斜拉桥三维拉索风雨激振准两自由度模型

拉索风雨激振是当前桥梁工程和风工程界非常关注的研究课题。过去用于测量带人工水线的拉索模型都是二维的，所建立的理论模型也是建立在二维拉索气动力的基础上的。本文基于带人工水线三维拉索模型试验得到的气动力，建立了三维拉索风雨激振的准二自由度运动微分方程，讨论了运动方程中各种参数的取值，采用数值求解方法计算了拉索风雨激振振幅。计算结果和三维拉索人工降雨试验结果的对比表明，本文方法能较好地描述三维拉索风雨激振的特征。     

基于流场定常化的桥梁颤振分析简化数值方法

基于数值方法实现快速有效地分析评价大跨桥梁颤振稳定性.针对强迫振动法识别颤振导数试验中的大跨桥梁二维节段模型.利用RNG κ-ε湍流模型并采用有限体积法求解桥梁模型绕流二维不可压缩流体Navier-Stokes方程.通过计算桥梁断面模型在周期运动中少数离散时刻的气动力,利用最小二乘法计算颤振导数,采用SCANLAN方法求解颤振临界风速,最终进行颤振稳定性分析.通过该方法计算出了丹麦Great Belt East桥和我国虎门大桥的颠振临界风速.计算结果与已有试验结果十分接近,进而验证了该数值方法的有效性和可靠性.     

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。     

超音速气流中受热壁板的稳定性分析

采用Galerkin方法建立二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 受到的气动力. 基于李雅普诺夫间接法分析了平壁板的稳定性，得到了壁板失稳的边界 曲线；采用牛顿迭代法分析了壁板的屈曲变形，进而分析了后屈曲状态下壁板的稳定性； 在时域中分析了后屈曲状态下壁板的颤振边界. 分析结果表明，为了保证计算精度， 在二维壁板的静态失稳及过屈曲变形分析中，至少要取二阶谐波模态；在平壁板的超音速颤 振(动态失稳)边界分析中至少应取四阶模态. 还对壁板的温升，壁板长厚比、壁板密 度和气流马赫数作了无量纲变参分析，研究了这些参数的变化对壁板稳定性的影响规律. 研 究中发现，当气流速压较低时壁板一般会稳定在低阶谐波模态的屈曲变形位置，但是如果系 统出现多个渐近稳定的不动点，即使作用在壁板上的气流速压很低，壁板也有可能在较低速 压下发生二次失稳型颤振.     

热环境下壁板非线性颤振分析

基于一阶活塞气动力理论,采用Von Karman大变形应变-位移关系建立了无限展长壁板热环境下颤振方程,采用伽辽金方法对方程进行离散处理.取温度为分叉参数,研究壁板颤振时的分叉及混沌等复杂动力学特性.结果表明:温度载荷降低了系统的颤振临界动压,改变了颤振特性.在整个分岔参数范围内,系统呈现出较为复杂的变化,包括衰减振动、极限环振动、拟周期振动和混沌型振动.当考虑材料热效应时,系统的颤振动压将进一步降低,其响应也表现出更为丰富的非线性动态力学行为.     

资金项目:国家自然科学基金资助项目

采用能计及非线性结构刚度的颤振方程为控制方程,和非定常N-S方程耦合求解,运用龙格-库塔方法在时域内求解结构响应的时间历程,从而确定颤振临界条件.计算了带结构刚度非线性的跨音速颤振特性.计算结果表明,结构刚度非线性对颤振特性有明显的影响.由于同时具有结构和气动力非线性,导致了具有复杂振荡极限环的特性.     

超声速流中有限长柱壳蒙皮颤振的精确线性理论

本文讨论了有限长柱壳超声速颤振的线性问题的数学基础,包括问题的提法以及气动力和颤振振型的精确求法;所采用的方法是作者在前文[11]中提出的方法的推广. 考虑到壳面气动力的非定域性以及壳体的精确力短理论,根据严格的线性理论,将柱壳蒙皮颤振问题化成了讨论一个新型的八阶非自共轭微分积分方程以及相应的八个边界条件所构成的复固有值问题:     

超声速复合材料层合壁板结构的颤振特性分析

对超声速复合材料壁板结构的气动弹性颠振特性进行了分析研究.采用Hamilton原理和假设模态法建立结构的运动方程,采用活塞理论模拟超声速非定常气动力,通过求解本征值问题,得到结构的固有频率和阻尼比等物理量.数值计算了结构无量纲固有频率随气动压力的变化曲线,确定颤振临界气动压力(或颤振速度),并计算了结构的受迫振动时间响应历程曲线,分析比较了不同纤维铺设方式和不同铺设角度对超声速复合材料壁板结构气动弹性稳定性的影响.本文研究结果对超声速飞行器壁板结构的气动弹性稳定性分析和设计具有理论参考价值.     

考虑气动力非线性影响的结构驰振分析

驰振现象对工程结构危害很大，因此开展结构驰振方面的理论研究十分重要，在一般的驰振分析中大多仅考虑气动力为线性时的情况，本文研究了气动力非线性对结构横向向动力失稳临界风速的影响，采用了以ｉ／ｖ的高次多项式形式表示的气动力模型，用等效线性法求角结构驰振的非线性微分运动方程，研究了非线性项的影响，为应用和研究提供参考。     

跨音速极限环型颤振的高效数值分析方法

事先建立一个低阶的非线性、非定常气动力模型是开展非线性流场中气动弹性问题研究的一个捷径. 基于CFD方法, 通过计算结构在流场中自激振动的响应来获得系统的训练数据. 采用带输出反馈的循环RBF神经网络, 建立时域非线性气动力降阶模型.耦合结构运动方程和非线性气动力降阶模型, 采用杂交的线性多步方法计算结构在不同速度(动压)下的响应历程, 从而获得模型极限环随速度(动压)变化的特性. 两个典型的跨音速极限环型颤振算例表明, 基于气动力降阶模型方法的计算结果与直接CFD仿真结果吻合很好, 与后者相比其将计算效率提高了1~2个数量级.      

配重位置对全动舵面颤振抑制效果研究

为了研究配重位置对舵面颤振特性的影响,用有限元方法分析了舵面模态,用当地流活塞理论计算非定常气动力,应用Lagrange方程,建立基于模态坐标的颤振运动方程。研究表明:不同位置配重导致不同的颤振边界,放置于前缘与尖弦交点对提高临界动压效果最为明显;在工程设计中,不能简单的以质心前移或者增大扭转-弯曲频率比来指导全动舵面的颤振抑制设计,在前缘与根弦交点附近处加配重使得质心前移,甚至会使临界动压下降;配重通过削弱振型的耦合程度来抑制颤振,配重位置应尽量取在前缘与尖弦交点附近,使得弯、扭振型耦合程度削弱。     

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。     

混沌优化水下地形匹配算法研究

为了解决迭代最近点算法的定位精度和实时性问题,提出了一种基于混沌优化搜索的迭代最近点算法.在该算法中,以参考导航系统测量位置为中心规划真实位置的搜索范围,从参考地形图上提取相应的地形高程数据,与对应经纬度位置一起定义成模式类,将模式识别的过程转化成函数优化问题,然后运用混沌优化算法搜索目标函数最小值进行全局寻优,从而获得匹配最近点.仿真结果表明,在保证寻优性能的情况下,可以减少匹配次数,提高识别速度,满足地形匹配精度和实时性的要求.     

民机翼型跨音速风洞颤振模型的模态分析

民用飞机在跨音速区的颤振特性是其设计的关键限制之一,与飞机的安全性息息相关．跨音速颤振的计算会遇到激波、流动分离等高度非线性的气动问题,因此在计算跨音速颤振问题时往往把注意力放在气动力的计算精度上．但是,如果模态分析的计算精度不够,同样无法获得可靠的颤振计算结果．本文采用HyperMesh软件进行有限元建模,主要结构件均保留了原始结构的几何信息,通过设置材料密度模拟结构的质量分布．由NASTRAN软件的Lanczos求解器完成模态分析并给出主要关注的四阶模态,经过简单的有限元模型修正,使四阶模态的计算频率与试验频率一致,计算和试验的固有振型一致,为后续的跨音速颤振分析打下基础．     

切削颤振的研究进展综述

颤振是工件表面质量和尺寸精度的重要影响因素之一,本文全面阐述了切削过程颤振的检测技术、切削颤振的控制技术、颤振的鲁棒和概率分析。探讨了切削颤振的类别以及基于切削过程中的力学特性构建的动力学模型;分析了颤振模型的影响因素,如:切削参数、机床结构、主轴动态特性等,讨论了颤振模型的求解方法。针对切削系统结构和切削过程的非线性动力学特征,提出了时变性的模糊控制、神经网络的智能控制,降低颤振影响和利用颤振发生规律,以改善工件加工质量。随着人工智能、算法优化和智能材料的发展,智能一体化抑振系统将成为未来发展趋势。