铺层方式对复合材料壁板热颤振特性的影响

采用分步求解的方法进行复合材料壁板的热颤振分析。先分析热效应产生的壁板附加刚度,再将壁板的热刚度效应引入到壁板颤振模型中进行壁板颤振分析。通过一块四边固支壁板的热颤振分析算例,验证了这种壁板热颤振分析方法的正确性。进而针对高速飞行器结构中的复合材料壁板热颤振问题,分析了三种不同铺层方式的复合材料壁板在受到面内均匀热载荷时颤振临界速度随温升的变化规律。结果显示:(1)层合复合材料壁板的铺层比例和铺层顺序对壁板的热颤振临界速度都有明显的影响;(2)温升可导致壁板颤振临界速度明显降低,且铺设方式不同,下降程度不同;(3)在颤振危险模态不发生变化时,壁板颤振临界速度随温升而下降的趋势近似呈线性关系。

层合复合材料壁板的热颤振特性分析

采用壁板颤振分析的有限元方法,从壁板的正则化弯曲刚度、屈曲临界温升、颤振临界速压和极限环颤振幅值等参数的角度,分析了不同铺层方向和不同铺层顺序对层合复合材料壁板的颤振特性的影响,并给出了几种常见铺层方式层合复合材料壁板的颤振特性。结果表明,在设计复合材料壁板的铺层方向和铺层顺序时,一般可以通过壁板正则化弯曲刚度的大小来对颤振速压进行比较。但是在某些特殊的铺层情况下,随着温度升高,发生频率重合型颤振的耦合模态会发生演变,这时正则化弯曲刚度较大的壁板也有可能在较低的速压下发生颤振。

超声速全动翼面热颤振特性分析

使用热刚度计算理论,进行了不同温度场和不同结构材料的热颤振特性研究.通过热应力分析理论,获得结构在不同温度场作用下的热模态,应用Van Dyke活塞理论计算高超声速非定常气动力,采用p-k法进行颤振求解.通过对相同结构形式、不同温度场和不同材料的翼面结构进行热颤振特性对比,得出热应力对结构的影响.

超音速气流中二维壁板的非线性热颤振响应分析

基于von 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颤振的边界。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。

基于最大李雅普诺夫指数的壁板热颤振特性分析

文章介绍了李雅普诺夫指数的定义,给出了壁板热颤振特性分析模型,计算得到超声速气流中受热壁板的非线性颤振运动形态以及相应的最大李雅普诺夫指数,画出了壁板稳定性区域图,结果显示不同参数下,超声速气流中受热壁板具有包括颤振在内的5种不同性质的振动形态:收敛于平壁板平衡点的衰减振动、收敛于屈曲平衡点的衰减振动、简谐型极限环颤振、非简谐周期型极限环颤振和混沌型颤振,并给出了各种振动形态典型的时程响应图、相轨迹以及对应的最大李雅普诺夫指数。分析结果表明,来流速压和温升都严重影响着受扰壁板的非线性振动响应特性,壁板颤振容易发生在来流速压较大或者温度较高的参数区域,系统的最大李雅普诺夫指数能够定量表征壁板稳态响应时的运动形态,可以用该指数来判断超音速气流中受热壁板的稳定性并确定所研究参数范围内壁板的稳定性边界。

气流偏角对不同形状复合材料壁板热颤振特性的影响

应用有限元方法分析研究了气流偏角和热载荷对不同形状复合材料壁板颤振特性的影响。采用一阶剪切理论、von Karman大变形板理论以及考虑气流偏角的一阶活塞气动力理论建立了考虑热载荷的复合材料壁板颤振的有限元模型。分析了三种面积相同但形状不同的复合材料壁板的颤振临界速压随温升和气流偏角的变化规律。结果表明,气流偏角为零时,面积相同形状不同的三种复合材料壁板的颤振临界速压随温度升高而近似呈线性降低,且三角形壁板的颤振临界速压高于梯形壁板,梯形壁板高于矩形壁板;随着气流偏角的增大,三种不同形状壁板的颤振临界速压都呈现出相同的规律;相同气流偏角下,三角形壁板的颤振临界速压最高,矩形壁板的颤振临界速压最低。

复合材料曲壁板与平壁板热颤振特性的对比

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。

采用分布式压电驱动器的翼面热颤振主动抑制

高超声速气动加热会严重影响飞行器结构的颤振特性,本文开展了采用分布式压电驱动器的热颤振主动抑制方法研究。以某飞行器小展弦比翼面为研究对象,进行了常温和热载荷边界条件下的结构振动和颤振分析。在此基础上,对频域非定常气动力进行有理函数拟合,建立包含压电驱动器的翼面耦合结构系统状态空间形式的运动方程;对典型热载荷边界条件下的被控对象设计颤振主动抑制控制律,分别设计出LQG及PID控制器;对比分析了系统开、闭环颤振特性。结果表明,通过主动控制律的实施,达到了热颤振主动抑制的目的,验证了这种颤振主动抑制方法的有效性。

用Normal Form直接法研究壁板的热颤振与控制

建立了二维受热壁板在超音速气流中的颤振方程。运用分岔理论求得了系统的Hopf分岔点,应用Nor-mal Form直接法计算得到系统Hopf分岔Normal Form系数。引入wash-out滤波器技术对壁板热颤振进行了主动控制,延迟系统Hopf分岔的产生而不改变分岔类型。最后采用数值模拟验证了理论分析。

考虑航天器舱体—附件耦合效应的热颤振准则

考虑具有端部附加质量的柔性附件及其和舱体的耦合效应,本文系统地推导出了一个带柔性附件的航天器热颤振准则,并用有限元程序进行了模拟校验.该准则揭示了柔性附件和舱体的质量特性和系统热诱发振动稳定性之间的关系.当舱体的质量特性远大于柔性附件的质量特性时,该准则就退化为悬臂柔性附件的热颤振准则.

超音速气流中热塑性复合材料壁板的非线性热颤振特性

热塑性复合材料结构在高速流场中的颤振行为是可重复使用航天器设计中需要考虑的问题。基于Mindlin厚板理论和Von-Karman大变形理论描述热塑性复合壁板结构大变形,超音速气动力采用活塞气动理论。考虑温度引起的壁板面内热应力和热塑性材料力学性能的改变。根据虚功原理和有限元法推导建立了热塑性复合材料壁板的热颤振模型,进而采用V-g法和Newmark法分别从频域和时域求解热塑性壁板的热颤振特性。在验证方法正确性和收敛性的基础上,讨论了温度对热塑性复合壁板的颤振频域模态耦合特性、颤振时域极限环振荡特性。结果表明,考虑热塑性材料温变特性会进一步降低壁板的颤振动压,而且热塑性壁板极限环振荡下等效应力水平较低,没有达到材料屈服极限。

二维功能梯度壁板热颤振本征问题的精确解

为了得到二维功能梯度壁板热颤振的精确解并揭示颤振机理,根据经典薄板理论及一阶活塞理论,建立了超声速气流下二维功能梯度壁板的本征控制微分方程并求得了精确解,根据得到的本征根对颤振机理进行了分析。针对功能梯度材料(FGM)的不同体积分数,分别研究了壁板在恒温场及非线性温度场下的颤振边界随马赫数的变化规律,并比较了2种温度场下的结果。通过分析简支、固支及其组合边界情况下的壁板颤振特性,从数学角度发现颤振现象的发生是由于挠度的一阶导数导致刚度非对称,且功能梯度材料能够有效提高热环境下壁板的颤振边界,同时利用ABAQUS软件对功能梯度壁板的振动特性进行了模拟,进一步验证了所提方法的有效性。

翼面热颤振的分区协调耦合推进时域研究

提出了基于分区协调耦合推进的翼面热颤振时域研究方法,其中气动力和气动热采用有限体积法求解,且流场空间离散采用AUSM+格式,而结构温度场采用有限元法求解。采用模态叠加法进行结构瞬态响应的求解,在耦合面上采用基于虚拟空间的插值方法进行耦合变量的传递。研究了高超声速翼面的热颤振问题,获得了不同马赫数下的翼面温度场分布。根据"频率重合理论"获得了热环境下翼面一阶弯曲和一阶扭转频率的相互靠近导致了翼面临界颤振速度下降的结论。

大攻角翼面超声速热颤振分析

分析了大攻角超声速翼面气动加热条件下的热颤振。根据模态叠加法建立颤振运动方程,用当地流活塞及小扰动线性化理论分别计算超声速区和亚声速区的非定常气动力,状态空间法与Runge-Kutta法结合仿真求解结构动响应。给出的两个工程实例计算结果表明,该方法计算精度可满足工程要求。另外还讨论了气动加热效应对颤振的影响。

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。

不同气流偏角下的壁板热颤振分析及多目标优化设计

研究了考虑热效应的不同气流偏角下的壁板颤振问题及其多目标优化设计。采用考虑气流偏角影响的一阶活塞气动力、Von-Karmon大变形理论和准定常热应力理论建立了复合材料壁板热颤振方程。利用模拟退火算法,对不同温度场下的偏航壁板颤振速度进行计算。以偏航壁板热颤振速度和壁板重量为多目标函数,在不发生热屈曲的条件下进行优化设计。结果显示:温升使偏航壁板颤振发生"跳跃"现象,对应的气流偏角发生变化;当壁板热颤振模态不变时,偏航壁板颤振速度随温升呈下降趋势,两者呈线性关系;而当热颤振模态发生变化,即偏航壁板颤振发生"跳跃"现象时,偏航壁板颤振速度随温升先升高而后降低,两者呈非线性关系;Pareto解对应的多目标函数之间呈线性关系。

中心舱体-附件耦合系统热颤振有限元分析

在轨航天器的柔性附件在其进出地球阴影区时很容易发生热诱发振动现象。柔性附件的这种运动将会产生扰动弯矩作用于航天器主体之上,从而对航天器的姿态运动产生重要影响。该文针对实际航天器刚体-附件耦合系统发展了一种热-结构动力学耦合的有限元分析方法。该耦合系统的状态方程既包括与航天器刚体转动和柔性附件结构变形相耦合的非线性瞬态热传导方程,也包括与瞬态温度场相联系的结构动力学方程。该文以一个简单的hub-beam航天器系统为研究对象,对该耦合系统分别进行了热-结构非耦合和耦合分析。其中热-结构非耦合有限元分析的结果与已经存在的理论解结果显示了很好的一致性;热-结构耦合有限元分析结果表明航天器在某种条件下可能发生热颤振。

超音速气流中受热壁板的非线性颤振特性

随着高速飞行器技术的快速发展,壁板热颤振成为国内外研究人员的关注热点。壁板热颤振对飞行器性能有重大影响,甚至影响飞行安全。以超音速气流下的无限展长二维壁板结构作为研究对象,计入热效应的影响,根据Kirchhoff平板理论和Von Karman大变形几何非线性壁板理论建立系统的运动微分方程。并以壁板在x=0.25处为算例绘制了其前三阶弯曲构型的静态分岔图,对不同轴向载荷条件下壁板的屈曲构型进行了分析。考虑到温差ΔT是影响热应力的重要因素,对比了不同温差条件下,壁板的静气动弹性变形图,结果表明,温差越大,壁板偏离静平衡位置的位移越大。

壁板颤振的分析模型、数值求解方法和研究进展

研究壁板颤振问题需要计及大挠度变形下结构的几何非线性效应,不仅涉及气动弹性稳定性,而且关心结构的非线性颤振响应.该文回顾了飞行器壁板颤振问题的国内外研究情况,评述了在壁板颤振研究中采用的分析模型、数值求解方法以及在理论分析和试验方面的研究成果,并提出了今后壁板颤振问题的4个研究方向.

高超声速飞行器舵面热气动弹性分析方法研究

利用修正的牛顿碰撞理论建立平板舵热结构气动力计算模型,完成非定常气动力计算,利用有限元方法建立温度场影响下舵面结构动力学模型,进而完成颤振稳定性分析。研究结果表明高温会导致控制舵颤振稳定性向坏发展。