胶囊形气膜结构风致气弹响应及风振系数研究

针对1/3矢跨比胶囊形气膜结构进行了气弹模型风洞试验,研究了结构的风致气弹响应变化规律,并给出了可供设计参考的风振系数。研究发现:结构平均变形呈迎风面凹陷,顶部隆起,横风向向外凸出的趋势,且这种变形趋势随着内压减小和风速增大越来越明显。0°风向角时的平均变形和振幅大于45°风向角时的平均变形和振幅大于90°风向角时的平均变形和振幅,结构合位移均值的极值出现在迎风面与顶面中心点;0°和45°风向角下,顶点竖向振幅>顺风向振幅>横风向振幅,结构以1阶模态振动为主;90°风向角下,顶点横风向振幅大于其他两个方向,结构以1阶和2阶模态叠加振动为主。各工况下结构的内压均有不同程度的减小。最后给出了考虑流固耦合效应的响应风振系数。

复合材料叶片截面刚度对风力机叶片气弹响应的敏感性研究

为更深入考查叶片刚度对风力机气弹响应的影响,对叶片截面的刚度矩阵中的主对角线刚度系数在稳态风和湍流风况下的风力机气弹响应的影响以及敏感性进行系统研究。气弹模型中的气动模块采用基于叶素动量理论,并采用几何精确梁理论对叶片的结构动力学响应进行仿真。选用美国可再生能源实验室(NREL)5 MW风力机组作为基准模型,调整叶片各截面刚度矩阵的主对角线刚度系数,利用敏感性影响因子评估刚度系数变化对叶片载荷的影响。结果表明:主对角线上挥舞方向的剪切刚度、挥舞弯曲刚度、摆振弯曲刚度、扭转刚度对气弹响应具有中高的敏感性。研究结果对掌握风力机气弹响应规律,发掘更深层次的风力机叶片设计方法提供了一定的指导意义。该方法能进一步扩展至研究叶片刚度对风力机机组气弹响应的敏感性研究。

前飞状态下直升机旋翼系统气弹响应及稳定性分析

将铰接式直升机桨叶挥舞、摆振及变矩铰的刚性转角作为广义坐标,采用中等变形梁理论,结合有限元法,在旋转坐标系下,根据Ham ilton 原理推导出桨叶前飞状态下的非线性周期时变动力学方程。使用拟线性化方法及New m ark 数值积分技术求解桨叶的气弹响应。对稳态解进行摄动,应用Floquet理论分析桨叶的气弹稳定性。

大展弦比机翼的非线性气弹响应分析

高空长航时飞行器将在未来军事与民用领域具有广阔的应用前景,这类飞行器具有大展弦比、大柔度机翼,在对该类型结构的气弹响应分析中,必须要考虑机翼的非线性因素。目前,对大型的工程结构MSC.NAS-TRAN提供了线性颤振、线性气弹的计算功能,但无法进行非线性结构的气弹响应分析。本文在非线性运动方程中引入ONERA气动力的线性项,利用DMAP语言在NASTRAN非线性瞬态响应分析程序中加入相关气动力模块,实现了大型有限元机翼的非线性气弹响应分析。文中给出了算例,结果验证了该法分析大展弦比机翼结构气弹响应的有效性,具有重要的工程应用价值。

直升机旋翼/机身耦合系统的气弹响应分析(二)方程的求解

在文（一）得到的直升机旋翼系统运动方程的基础上，运用动态子结构的方法对旋翼系统和机身作为相对独立的部分进行分析，通过界面上的力平衡和几何协调将子系统耦合成整体系统。用分割——迭代法求解直至旋翼系统和机身的响应同时收敛到精度要求。并研制相应的计算程序。

直升机旋翼/机身耦合系统的气弹响应分析(一)旋翼系统的建模

直升机系统是一个流体、固体、刚体和控制相互耦合的非线性时变系统。其气弹响应问题的研究长期为国内外学者注视。本文对旋翼考虑不同的耦合层次，及诸因素的各项贡献，建立其耦合模型。应用Ｈａｍｉｌｔｏｎ变分原理建立旋翼系统运动方程。

铰接式旋翼舰面瞬态气弹响应及参数研究

为了研究舰面铰接式旋翼桨叶桨尖与机体相碰的原因及参数影响,本文采用中等变形梁模型处理桨叶弹性变形,用有限转角模拟桨叶绕铰刚性运动和非线性准定常气动模型处理气动力。通过与国外计算及试验数据的相关性分析,验证了本文建模及计算方法的正确性。参数分析表明:1)挥舞限动块脱开前,桨叶弹性变形提供的桨尖挥舞位移占主要部分,脱开后,桨叶刚性运动提供的桨尖挥舞位移占主要部分;2)舰面流场采用梯形流时,计算的桨尖挥舞位移最大;3)挥舞限动角大小及离心式限动块释放时间对桨尖最大挥舞位移影响不明显;4)直接增加桨叶挥舞刚度可显著地减小桨尖向下最大挥舞位移;5)随总距增加,桨尖挥舞挠度减小不明显,这是通过增加总距来减小桨叶挥舞位移不可行的另一原因。

偏航状态下风力机塔架-叶片耦合结构气弹响应分析

提出一套快速预测偏航状态下风力机全机结构气弹响应的分析方法。以南京航空航天大学自主研发的5MW特大型概念风力机为例,建立风力机塔架-叶片耦合模型获取模态信息;采用谐波叠加法和改进的叶素-动量理论计算气动荷载,并考虑了偏航角对诱导速度的影响;再运用模态叠加法求解风力机耦合动力学方程,通过迭代循环更新叶片速度和气动力,对风力机塔架-叶片耦合结构进行气动载荷和气弹响应计算,并通过参数分析归纳出偏航角和气动弹性对风力机全机动态响应的影响规律。研究结论可为此类特大型风力机塔架-叶片耦合结构的抗风设计提供科学依据。

弹性耦合对复合材料旋翼前飞气弹响应及载荷的影响

给出一套计算复合材料旋翼前飞气弹响应和桨榖载荷的方法,所用结构模型考虑横向剪切变形、剖面面外翘曲变形和复合材料弹性耦合的影响。气动模型采用准定常升力线理论和Drees线性入流模型,翼型升力、阻力系数来自风洞试验。构造出21自由度梁单元,应用Hamilton原理推导出桨叶运动的有限元方程。在此基础上,研究弯曲-扭转和拉伸-扭转耦合对复合材料旋翼前飞气弹响应和桨榖振动载荷的影响。结果表明:弹性耦合对扭转方向的影响很大,对挥舞和摆振两个方向的影响很小;各种弹性耦合对桨榖振动载荷有着不同程度的影响,负的摆振弯曲-扭转耦合和正的拉伸-扭转耦合使桨榖垂直方向的振动载荷降低5%左右。

舰船升沉运动对旋翼瞬态气弹响应影响分析

在旋翼气弹计算模型基础上引入舰船3个平动和3个转动广义坐标,根据Hamilton原理建立了基于广义力形式的计入舰船运动的旋翼瞬态气弹响应计算模型。通过与国外试验及计算值的对比验证了本文计算模型的正确性,经算例分析得到以下结论:(1)升沉对桨尖最大负向位移影响明显,随升沉运动幅值增加、周期的减小,桨尖最大向下位移增加明显,相位影响显著;(2)升沉与纵摇耦合运动对桨尖最大负向位移影响明显;(3)升沉与横摇耦时主要以升沉为主,横摇贡献较小。

间隙非线性结构气弹响应分析程序的DMAP开发

对大型工程结构,目前MSC/NASTRAN提供了线性颤振、线性气弹的计算功能,但无法进行非线性结构的气弹响应分析。本文采用Roger有理函数拟合法,从简谐运动情况下NASTRAN求得的若干折减频率下的非定常气动力系数矩阵,导出任意运动情况下的非定常气动力近似表达式,并将该气动模型引入到非线性运动方程中,利用DM AP语言在NASTRAN非线性瞬态响应分析程序中加入相关气动力模块,实现了大型有限元机翼结构的非线性气弹响应分析。文中给出了算例,结果验证了该法分析间隙非线性结构气弹响应的有效性。

某菱形截面纪念碑风致气弹响应风洞试验研究

对某高100 m的菱形截面纪念碑进行刚性模型多点同步扫描测压与摆式气弹模型测振风洞试验,进而在测压数据基础上建立频域风荷载模型并采用随机振动分析方法计算结构风振响应,同时应用随机减量技术(RDT)识别了该气弹模型风致振动时的气动阻尼比。当在频响函数中考虑气动阻尼比后的风振响应计算结果和气弹模型试验值具有很好的一致性。由于实际结构振型与摆式模型线性振型存在差异,用振型修正系数修正气弹模型试验结果可得到实际结构风振响应。分析结果表明,刚性模型测压建立荷载模型,结合气弹模型测振识别气动阻尼,代入实际结构频域响应计算方法能够较精确地评估强风作用下低频小阻尼高耸结构的风致气弹响应。

水平轴风力机叶片弯弯耦合气弹响应分析

为分析风力机叶片的振动行为,采用Hermite梁单元对叶片进行离散。将叶片的振动行为嵌入到气动力的计算中,建立气动弹性耦合的分析模型。将叶片的气动阻尼系数运用到虚功原理推导其气动阻尼矩阵,再与结构阻尼矩阵叠加生成总阻尼矩阵。根据叶片的几何和结构特征,深入分析叶片弯弯耦合产生的原因。得到弹性耦合项和阻尼耦合项,然后建立弯弯耦合动力学方程,采用常加速度假设法求解方程。以NREL 5 MW风力机为例,对其在额定风况下的剪切流进行仿真。结果表明,考虑弯弯耦合计算的叶片振动位移和速率比不考虑弯弯耦合时更大;叶片振动速率相比诱导速度(叶素动量理论)不能被忽略。

跷跷板旋翼舰面瞬态气弹响应分析及抑制方法

为了研究跷跷板旋翼在舰面起动和停转过程中的瞬态气弹响应问题,本文在中等变形梁的基础上,引入跷跷板旋翼整体挥舞有限转角广义坐标,采用非线性准定常气动模型,根据Hamilton原理建立了基于广义力的跷跷板旋翼动力学方程,舰面流场采用试验测试数据。通过与国外试验数据及计算值的对比验证了本文计算模型的正确性。计算表明,舰面跷跷板旋翼存在桨叶过大挥舞与机体相碰的问题。对于可能防止相碰的机械措施和操纵方式进行了分析。

偏航状态下的风力机叶片气弹响应计算

考虑气动弹性对风力机叶片的影响,采用非定常叶素动量理论计算气动载荷,考虑离心力影响计算挥舞/摆振耦合的旋转叶片动力特性,运用模态叠加法,建立了叶片动力学方程,采用Runge-Kutta-Nys trom方法对方程进行求解,并引入气动阻尼效应,实现了气动与结构的耦合。进行了叶片动力特性及稳定偏航下叶片载荷与气弹响应的计算,并与商用软件计算结果进行了分析比较。结果表明,离心力对叶片动力特性存在明显影响,考虑气动弹性影响十分必要,对准确预测叶片振动水平和疲劳寿命具有重要意义。与商用软件相比,本文方法有一定的改进。

舰船纵横摇运动对旋翼瞬态气弹响应影响分析

为了研究舰船运动对舰载直升机旋翼瞬态气弹响应的影响,采用中等变形梁模型处理桨叶弹性变形,有限转角处理桨叶绕桨轴和铰的转动及舰船的横摇和纵摇运动,采用Hamilton原理建立了带有舰船运动的舰面旋翼瞬态气弹响应计算模型。通过与国外的试验值和计算值对比验证了本文计算方法的正确性,得到以下结论:(1)舰船的横摇运动对桨尖负向最大位移影响较小;(2)舰船的纵摇运动影响则较显著,随纵摇周期的减小和桨毂离舰船质心纵向距离的增加,桨尖最大负向位移增加显著,纵摇相位影响较为明显;(3)舰船与旋翼的气动和惯性耦合对旋翼瞬态气弹响应的非线性影响非常明显,计算中需计入两者共同的影响。

应用CFD方法的舰载直升机舰面气弹响应计算与分析

舰载直升机所处的环境恶劣,易出现旋翼桨尖过度挥舞及机身碰撞等事故,研究直升机舰面气弹响应可预防此类事故的出现。应用CFD方法获得舰船流场数据,结合桨叶动力学模型,综合提出旋翼气弹响应计算分析方法,研究不同来流速度、悬停位置与风向角下旋翼的气弹响应。结果表明:本文提出的气弹响应计算分析方法正确可行;舰船来流速度的增加会引起桨尖响应最大值的增大,速度从20 m/s变为40 m/s时,响应幅值增加了8.35%;悬停位置主要影响桨尖位移响应沿桨盘方位角的分布;来流风向角的改变会显著影响旋翼气弹响应,桨尖挥舞位移最大值与舰船尾流场的垂向速度分布有关,变化梯度越大桨尖挥舞最大值亦越大。

基于升力线理论的大型风力机气弹响应研究

针对风力机不断向大型化发展的趋势,导致结构柔度增加,气弹耦合特性和振动增强,研究了大型风力机高效精确的气弹响应分析方法。为了更准确模拟大型风力机气流沿叶片展向的三维流动现象,采用螺旋尾涡升力线模型代替传统叶素动量理论,建立了叶片气动载荷分析模型,进而结合风力机多体系统动力学模型,构建了机组的气弹耦合动力学方程和数值求解方法。以某10 MW风力机叶片为例,研究了稳态风况下不同风速的叶片气动性能,以及有效攻角、切向力等沿叶展方向的分布特点,并与采用修正叶素动量理论的气弹分析程序(HAWC)对比,结果表明,升力线理论无需引入经验修正模型即能获得叶素动量理论经修正后的分析精度。最后,通过非稳态风况下风力机的气弹响应分析,证明本文方法对大型风力机气弹耦合分析的有效性和准确性。

基于非线性气弹耦合模型的风力机柔性叶片随机响应分析

为准确模拟柔性叶片在紊流风速下的气弹响应,研究叶片振动对气动载荷与气弹响应的反馈,构建包含多体系统动力学模型与气动模型的柔性叶片非线性气动弹性力学模型。在将细长柔性叶片离散为多刚体系统基础上,运用计算多体系统动力学理论和Roberson-Wittenburg的建模方法,结合叶素动量理论,采用Kaimal模型模拟脉动风速,建立风力机柔性叶片的气弹耦合方程。算例以美国可再生能源实验室(NREL)研制的5 MW近海风力机为研究对象,分析叶片的振动和叶根的挥舞与摆振力矩,研究柔性叶片振动对气动载荷影响。结果表明,叶片达到一定长度后,模拟风力机气弹响应问题时,其振动影响不可忽略。

风力发电机耦合转子/机舱/塔架的气弹响应

发展了一种理论方法的计算程序 ,研究耦合转子 /机舱 /塔架系统气弹响应问题。利用以 Hamilton原理为基础的有限元法 ,应用 5节点 18自由度和 2节点 12自由度的梁单元模型分别离散桨叶和塔架。机舱简化为刚体 ,具有刚体一般运动。风模型为 2维拟定常风。采用子空间迭代法求解桨叶、机舱和塔架动力学方程。其中 ,桨叶非线性动力学方程具有周期时变系数 ,求解采用拟线性法。计算结果表明 :工作转速下风机能够安全、稳定运转。转子转速远远高于工作转速时 。