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基于流固耦合的斜激波冲击作用下曲壁板气动弹性分析

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航空动力学报 2020年第4期35卷 783-792页

作者：李映坤陈雄许进升南京理工大学机械工程学院南京210094

采用自主发展的双向流固耦合求解器,研究了斜激波冲击作用下曲壁板的气动弹性响应特性。曲壁板的几何非线性大变形运动方程采用有限差分法求解,流体控制方程基于有限体积法求解,双向流固耦合采用交错迭代算法。计算结果表明:当动压小于... 详细信息

采用自主发展的双向流固耦合求解器,研究了斜激波冲击作用下曲壁板的气动弹性响应特性。曲壁板的几何非线性大变形运动方程采用有限差分法求解,流体控制方程基于有限体积法求解,双向流固耦合采用交错迭代算法。计算结果表明:当动压小于临界颤振动压时,曲壁板表现出静平衡状态,且随着动压的增大,壁板变形的非对称性越明显。当动压大于临界颤振动压时,壁板振动位移先增大后减小,最终达到稳定颤振状态,且该极限环颤振并不关于初始位置正负对称的。同时,随着动压的增大,壁板颤振的正向峰谷值、负向峰谷值和振幅均逐渐增大,颤振频率则逐渐减小。壁板振动响应规律并不随着壁板弯曲高度的改变而单调递增或递减,较小的弯曲高度可以降低壁板颤振临界动压值,但是当弯曲高度进一步增大后,由于气动非线性特性增强,准周期无规则运动状态被激发了出来,临界颤振动压迅速升高。

关键词：壁板颤振曲壁板斜激波冲击流固耦合气动弹性

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复合材料曲壁板与平壁板热颤振特性的对比

振动与冲击 2011年第4期30卷 55-59页

作者：高扬杨智春西北工业大学航空学院西安710072

对比研究了层合复合材料曲壁板和平壁板热颤振特性。分别建立三种铺层方式的曲壁板和平壁板的有限元模型。采用分步求解方法,首先计算热效应引起的附加刚度,然后将其引入到壁板颤振模型中进行颤振分析。分析了不同铺层方式曲壁板和平壁... 详细信息

对比研究了层合复合材料曲壁板和平壁板热颤振特性。分别建立三种铺层方式的曲壁板和平壁板的有限元模型。采用分步求解方法,首先计算热效应引起的附加刚度,然后将其引入到壁板颤振模型中进行颤振分析。分析了不同铺层方式曲壁板和平壁板的热颤振特性,结果表明壁板颤振临界速度随温升近似呈线性下降,正交各向异性铺设的曲壁板与准各向同性铺设的曲壁板相比,其颤振临界速度下降率更大,而平壁板情况刚好相反;不同铺层方式曲壁板的热颤振危险模态不同,而平壁板热颤振危险模态不受铺层方式的影响。

关键词：曲壁板热颤振复合材料铺层方式

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超音速气流中受热曲壁板的非线性颤振特性

力学学报 2012年第1期44卷 30-38页

作者：杨智春周建谷迎松西北工业大学航空学院结构动力学与控制研究所西安710072

基于von Karman大变形理论及带有曲率修正的一阶活塞理论,用Galerkin方法建立了超音速气流中受热二维曲壁板的非线性气动弹性运动方程;采用牛顿迭代法计算得到由静气动载荷和热载荷引起的静气动弹性变形;根据李雅谱诺夫间接法分析了壁... 详细信息

基于von Karman大变形理论及带有曲率修正的一阶活塞理论,用Galerkin方法建立了超音速气流中受热二维曲壁板的非线性气动弹性运动方程;采用牛顿迭代法计算得到由静气动载荷和热载荷引起的静气动弹性变形;根据李雅谱诺夫间接法分析了壁板初始曲率与温升对颤振边界的影响;对二维曲壁板的非线性气动弹性方程组进行数值积分求解,分析了动压参数对受热二维曲壁板分岔特性的影响,给出了典型状态下曲壁板非线性颤振响应的时程图与相图.分析结果表明对小初始曲率的曲壁板,温升对其静气动弹性变形影响较大,且随着温升的增加其颤振临界动压急剧减小;对具有较大初始曲率的曲壁板,温升对其静气动弹性变形的影响较弱,且随着温升的增加颤振临界动压基本保持不变.初始几何曲率与气动热效应使得曲壁板具有复杂的动力学特性,不再像平壁板一样,经过倍周期分岔进入混沌,而会出现由静变形状态直接进入混沌运动的现象,且在混沌运动区域中还会出现静态稳定点或谐波运动,在大曲率情况下,曲壁板不会产生混沌运动,而是幅值在一定范围内的极限带振荡.

关键词：曲壁板超音速气流混沌分岔气动热效应极限带振荡

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低速轴向气流中曲壁板的稳定性及分岔分析

动力学与控制学报 2018年第6期16卷 506-513页

作者：李晋李鹏张德春杨翊仁西南交通大学力学与工程学院成都610031

本文研究了带有初始曲率的二维曲壁板在低速轴向气流中的稳定性及分岔问题.基于薄翼理论获得了作用在曲壁板上的气动力,并设计了风洞实验以验证该理论气动力的准确性.采用Galerkin方法将非线性运动方程离散成常微分方程组;利用牛顿迭代... 详细信息

本文研究了带有初始曲率的二维曲壁板在低速轴向气流中的稳定性及分岔问题.基于薄翼理论获得了作用在曲壁板上的气动力,并设计了风洞实验以验证该理论气动力的准确性.采用Galerkin方法将非线性运动方程离散成常微分方程组;利用牛顿迭代法求解壁板的静变形;在参数区间内分析了系统的分叉结构.结果表明:本文给出的气动力理论计算结果与实验吻合良好;静态气动力会破坏系统的对称性;在来流动压超过临界值后,曲壁板会发生非对称的静态分岔并出现新的稳定及不稳定的平衡态;系统临界来流动压随面内拉力(压力)的增加而增加(减小),而随初始曲率的增加呈现先增大后减小的规律;系统在不同参数区域内存在四种典型的分岔行为;系统的响应与来流动压及初值有关.

关键词：曲壁板轴向流静/动态气动力静态分岔稳定性

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复合材料曲壁板颤振特性分析

机械科学与技术 2013年第7期32卷 1069-1073页

作者：杨智春高扬谷迎松西北工业大学航空学院西安710072

基于Marguerre曲板理论、von Karman大变形理论和气动力活塞理论建立超音速气流中三维复合材料曲壁板的有限元模型。分析了不同边界条件下复合材料曲壁板的曲率对曲壁板颤振边界特性的影响规律。结果显示:1)当曲率较小时,颤振是由曲壁... 详细信息

基于Marguerre曲板理论、von Karman大变形理论和气动力活塞理论建立超音速气流中三维复合材料曲壁板的有限元模型。分析了不同边界条件下复合材料曲壁板的曲率对曲壁板颤振边界特性的影响规律。结果显示:1)当曲率较小时,颤振是由曲壁板前两阶模态耦合产生,颤振临界动压随着曲率的增大而减小;2)当曲率较大时,颤振危险模态会随曲率增大而发生变化,颤振临界动压也会表现出复杂的变化规律;3)曲率较小时,四边固支曲壁板的颤振临界动压高于四边简支曲壁板;4)当曲率较大时,四边简支曲壁板的颤振临界动压可能大于四边固支曲壁板。

关键词：复合材料曲壁板有限元方法颤振

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亚音速气流中曲壁板气动弹性响应研究

亚音速气流中曲壁板气动弹性响应研究

作者：刘少文西南交通大学

学位级别：硕士

本文对高速列车中广泛使用的存在初始变形的曲壁板结构在亚音速气流和周期外激励力作用下的气动稳定性和非线性动力学问题进行研究,具体工作如下:1.考虑圆弧形初始变形的二维曲壁板,基于势流理论和线化小扰动理论获得了亚音速气流作用... 详细信息

本文对高速列车中广泛使用的存在初始变形的曲壁板结构在亚音速气流和周期外激励力作用下的气动稳定性和非线性动力学问题进行研究,具体工作如下:1.考虑圆弧形初始变形的二维曲壁板,基于势流理论和线化小扰动理论获得了亚音速气流作用在曲壁板单侧的气动力的级数表达式。该气动力分为由初始变形产生的静态气动力和由结构振动产生的动态气动力,分析了模态阶数和系统相关参数对静态气动力大小和分布的影响。2.使用微元法和达朗贝尔原理建立了两端简支的二维Kelvin模型粘弹性曲壁板在大变形时的非线性振动方程。将方程进行无量纲化后使用Galerkin法进行离散。使用Newton迭代法求解系统的平衡点。研究了系统的平衡点及稳定性、分岔特性及相关参数对系统平衡点的影响、系统的势阱分布和吸引域分布等非线性动力学问题。研究表明:随着来流动压的变化,系统的平衡点位置、数目和稳定性将会发生变化,产生分岔现象,分岔点对应的临界动压与跳跃位移值与初始曲率及轴力等参数相关;系统的稳定平衡点对应于系统的势阱位置,系统的势阱数量和深度与来流动压等参数有关;系统的两个稳定平衡点在参数空间中存在各自吸引域。3.以气动力和周期外激励力联合作用下的二维曲壁板为研究对象,考虑粘弹性和几何非线性,建立了其振动方程,将方程进行无量纲化后使用Galerkin法进行离散。使用数值计算方法分析了系统的非线性复杂响应。结果表明:在来流动压和外激励幅值参数空间中,分布着单周期、多周期和混沌区域;随着参数的变化,系统的运动状态将会有规律地变化。在一定条件下时,系统将会产生“跳变”现象。4.考虑了粘弹性和几何非线性的影响,研究了两端简支二维曲壁板在谐波扰动亚音速气流作用下的非线性动力学特性,通过Galerkin法和数值计算方法分析了系统的非线性复杂响应,并对气流的扰动频率、扰动幅值和恒定部分的气流速度对曲壁板作单周期运动时的振幅的影响进行了研究。结果表明:曲壁板系统在参数空间中分布存在着单周期、多周期和混沌区域,且系统的大部分运动类型为单闭环的单周期运动,只在某些参数空间区域内才会产生各种周期的多周期运动和混沌运动;系统扰动频率、扰动幅值和动压的恒定部分对单周期运动振幅存在影响。

关键词：曲壁板亚音速气流分岔稳定性势能吸引域混沌运动参数激励

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轴向气流中单（夹）层曲壁板的稳定性研究

轴向气流中单（夹）层曲壁板的稳定性研究

作者：李晋西南交通大学

学位级别：硕士

本文对高速列车及大跨度建筑中被广泛使用的带有初始构型的单层及夹层曲壁板结构在轴向气流作用下的气固耦合方程进行了推导,设计风洞实验验证对比了气动力计算理论,并对曲壁板的稳定性及分岔现象进行了研究。第一章主要介绍了本文的研... 详细信息

本文对高速列车及大跨度建筑中被广泛使用的带有初始构型的单层及夹层曲壁板结构在轴向气流作用下的气固耦合方程进行了推导,设计风洞实验验证对比了气动力计算理论,并对曲壁板的稳定性及分岔现象进行了研究。第一章主要介绍了本文的研究背景和意义。一方面从超音速流、跨音速流及亚音速流出发分别介绍了国内外壁板气动力模型的研究现状及研究成果;另一方面从平壁板、曲壁板、单层板及夹层板出发综述了现有的壁板气动弹性研究结论及待处理的问题并简述了本文拟开展的工作。第二章考虑无粘无旋不可压缩气流,基于小扰动线化假设及薄翼理论并利用级数展开的方法计算得到作用在曲壁板上的近似气动力。以圆弧作为曲壁板的初始构型,分析了不同参数对静态气动力分布的影响。结果表明,曲壁板上的气动力与平壁板不同,其主要分为动态气动力及由初始变形引起的静态气动力两个部分;静态气动力沿板轴向对称分布,其大小随来流动压以及初始构型的增大而增大。第三章设计了三组带有不同初始构型的铝合金曲壁板模型,并完成了吹风实验。用压力传感器测得不同风速下曲壁板上的静压力,使用曲线拟合方法得到了三组不同的初始构型函数并带入理论气动力公式,对比了理论结果与实验结果,并对本文所推导的气动力的截断阶数的敏感性进行了分析。结果表明:本文计算得到的气动压力分布与实验结果更吻合,能够更准确的反映壁板结构上的压力分布;当截断阶数n=0时得到的理论气动压力分布较为准确。第四章采用Kelvin模型,考虑von Karman大变形理论建立了单侧受流的二维粘弹性单层曲壁板的气固耦合控制方程。采用Galerkin方法将非线性运动控制方程离散成常微分方程,利用牛顿迭代法求解静变形,在参数平面内分析了曲壁板的分岔结构及临界动压,研究了曲壁板失稳前后的响应特性。研究表明:曲壁板在初始变形后会产生静态气动力;在气流动压超过临界动压以后,曲壁板会产生类似叉式分岔的静态分岔现象,出现两个稳定的平衡点及一个不稳定的平衡点;初始曲率及轴力会影响系统的临界动压,系统的响应与初值有关。第五章基于Kelvin模型,利用D’Alembert原理建立了粘弹性硬夹芯夹层曲壁板的气固耦合方程,并与第四章模型进行了对比验证。取夹芯层为粘弹性材料,边界层为弹性材料简化方程,利用牛顿迭代法求解夹层板的静变形,分析了夹层曲壁板的临界动压受相关参数的影响。结果指出:夹芯结构可提高抗弯性能及稳定性;当来流动压超过临界值时,系统会出现与单层板相同的分岔形式;夹层板的临界动压与夹芯层厚度及夹芯层与边界层的抗弯刚度比有关。

关键词：曲壁板轴向气流稳定性气动力分岔时程响应风洞实验

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亚音速气流中曲壁板的分岔研究

四川理工学院学报（自然科学版） 2016年第5期29卷 57-62页

作者：刘少文李鹏杨翊仁西南交通大学力学与工程学院成都610031

研究了具有初始曲率的二维曲壁板在亚音速气流中的分岔问题。考虑大变形和粘弹性的影响,通过模态展开法获得了曲壁板上的静、动态气动压力;采用Galerkin方法将振动控制方程离散为常微分方程组;采用牛顿迭代法求解方程组得到了静变形位置... 详细信息

研究了具有初始曲率的二维曲壁板在亚音速气流中的分岔问题。考虑大变形和粘弹性的影响,通过模态展开法获得了曲壁板上的静、动态气动压力;采用Galerkin方法将振动控制方程离散为常微分方程组;采用牛顿迭代法求解方程组得到了静变形位置;在参数空间内分析了曲壁板的分岔特性;采用Runge-Kutta方法进行数值计算得到了曲壁板的时程响应相图。结果表明:曲壁板的初始变形会产生静态气动力,并会使得曲壁板产生新的静平衡点位置;当气流动压超过临界动压后,系统将会产生尖点分岔现象,使其平衡点的数目和稳定性发生变化;系统的稳定响应与气流动压及初值有关。

关键词：曲壁板亚音速气流静态变形尖点分岔时程响应

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轴向气流下曲壁板气动压力的理论与实验研究

成都大学学报（自然科学版） 2019年第2期38卷 183-186页

作者：李晋李鹏代成栋范晨光杨翊仁成都双流国际机场有限公司资产管理部四川成都610202 西南交通大学力学与工程学院四川成都610031

针对轴向气流作用下曲壁板上的静态气动力进行了理论及实验研究,采用势流的点源解和泰勒级数展开方法获得了曲壁板上的气动力公式.设计了两组带有不同初始曲率的铝合金曲壁板风洞模型.将曲壁板的初始构型函数带入气动力公式得到实验壁... 详细信息

针对轴向气流作用下曲壁板上的静态气动力进行了理论及实验研究,采用势流的点源解和泰勒级数展开方法获得了曲壁板上的气动力公式.设计了两组带有不同初始曲率的铝合金曲壁板风洞模型.将曲壁板的初始构型函数带入气动力公式得到实验壁板模型的理论气动压力,并与已有的理论计算结果及实验结果进行了对比分析.结果表明:初始曲率越大,作用在曲壁板上的气动压力越大;曲壁板的两端会出现正压区,正压区的范围与初始曲率有关.本气动压力计算方法与实验结果吻合良好,表明了该计算方法的合理性及准确性.

关键词：曲壁板初始曲率势流气动力风洞试验