结构非线性气动弹性系统运动的复杂响应研究

1 引言在许多工程领域的结构分析中都存在有气动弹性问题。20世记初期,世界上曾经发生过多起由于颤振引发的机翼断裂事件,1940年Tacoma桥开放仅4个月,由于气动弹性激励而倒塌。这些事故的发生使气动弹性问题越来越受到重视。结构非线性气动弹性问题研究的工程背景为机翼、桥梁等结构的颤振安全性分析,流体为空气这类粘性极小的流体。

基于CFD/CSD耦合的结构几何非线性静气动弹性数值方法研究

柔性飞行器在气动力作用下会发生大变形,产生结构几何非线性,线性小变形方法难以获得准确的气动弹性分析结果。基于RANs的三维N-S流场控制方程耦合非线性结构静力学方程时域分析方法,用于考虑结构几何非线性的静气动弹性分析。该方法在结构静力学方程求解上采用非线性增量有限元方法进行迭代求解,考虑结构刚度矩阵随结构位形的变化,采用径向基函数方法实现气动/结构界面的数据交换和动网格变形。在建立某型宽体客机复材机翼三维有限元模型的基础上,对其静气动弹性进行了数值仿真,分析了线性结构和考虑结构几何非线性的结构在静气动弹性作用下翼面扭转、展向位移、垂向位移以及升力系数等物理量。算例结果表明,与线性结果相比,非线性结构由于结构几何非线性的影响,在展向和垂向变形上两者存在显著差异。为准确进行柔性结构的气动弹性分析,必须考虑结构几何非线性的影响。

非线性结构系统的局部连接刚度辨识方法研究

连接结构在工程应用领域广泛存在,连接位置处的局部非线性特征对结构系统的动力学建模与特性预示具有重要影响。针对非线性结构系统局部连接参数未知或难以测量的问题,本文从结构动力学反问题的角度出发,提出一种基于频响函数变换的局部线性连接刚度辨识方法,通过与时域非线性子空间辨识方法相结合,可进一步获取非线性结构系统的局部线性和非线性连接刚度。设计并搭建三自由度结构系统的数值算例和实验系统,开展辨识方法的数值和实验验证,结果表明,所提方法能够分离并辨识得到非线性结构系统的标称线性系统频响函数和非线性参数,进而实现局部线性和非线性连接刚度的联合辨识。

非线性气动弹性系统的鲁棒稳定性分析

基于结构奇异值理论和特征多项式的值域方法,研究了带有结构和气动参数不确定性的非线性二元机翼的鲁棒稳定性问题。机翼模型包括非线性的扭转弹簧和能够反映失速效应的非线性气动模型。针对零摄动,使用μ方法分析线性化系统在平衡点的鲁棒稳定性。针对非零摄动,将平衡点位置看作关于不确定参数的函数并展开为泰勒级数,从而在μ方法的框架下考虑平衡点的不确定性。此外,计算不确定特征多项式的值域范围,并使用除零条件来判断其鲁棒稳定性。仿真数值结果给出了鲁棒颤振速度的上下界,表明了方法的有效性。

基于神经网络的非线性气动弹性系统辨识

由于气动弹性系统的非线性和不确定性的存在,传统的辨识方法在工程中难以满足。针对这种情况提出了一种模糊小波神经网络(FWNN)辨识方法。首先,采用区间2型模糊逻辑系统和小波神经网络结合构建FWNN网络结构,能够较好地逼近具有不确定性的非线性AE系统;然后,考虑到辨识的快速性和准确性,系统采用一组模糊IF-THEN规则,对模糊后件采用单隐层小波神经网络结构;参数学习采用基于Lyapunov稳定性的滑模学习算法,保证系统存在参数不确定的情况下,辨识误差能更快地收敛。最后,对结构非线性二元翼段进行仿真研究,验证了该模型的有效性。

结构非线性对基于CFD/CSD的气动弹性仿真的影响

基于CFD/CSD的高精度气动弹性方法计算了某大柔度机翼的气动弹性问题,分析了结构非线性对计算精度的影响。基于CFD/CSD的气动弹性方法具有精度高的显著优点,因此很适合用于分析飞行器气动弹性问题,但庞大的计算量所带来的计算效率问题限制了该方法的应用。近年来,随着计算机计算能力的快速提高以及流体结构求解算法的发展,基于CFD/CSD的气动弹性计算方法得到了越来越广泛的应用。大柔度飞行器在飞行状态下结构变形很大,呈现出很强的结构非线性,此时必须考虑结构非线性对气动弹性计算结果的影响。文章对线性和非线性计算结果进行了比较,认为对于大柔度飞行器结构,考虑结构非线性对基于CFD/CSD气动弹性方法仿真精度的提高有着重要的意义。

舵面系统间隙非线性气动弹性研究

间隙非线性对结构的气动弹性特性有重要的影响。传统线性气动弹性力学计算方法不能准确解决非线性系统的气动弹性问题。本文采用时域积分法计算舵面间隙非线性气动弹性,这种方法易于工程实现,为舵面系统(舵面与操纵机构)间隙非线性气动弹性稳定性和振动特性分析研究提供了一种有效的解决途径。

具有结构非线性的折叠机翼气动弹性分析

分析了具有铰链间隙的折叠机翼的非线性气动弹性响应。首先采用模态综合法建立了折叠机翼的结构动力学模型,其次基于偶极子非定常空气动力模型,由最小状态法有理函数近似获得了时域下气动力近似表达式,最后通过Runge-Kutta法获得了时域的气动弹性响应。分析表明:由于铰链处间隙的存在改变了折叠机翼气动弹性性能,使得结构在一定的速度范围内产生极限环运动,但是内外铰链对间隙大小的敏感程度有所不同;通过加入铰链间的摩擦来改善铰链间隙对气动弹性性能的影响,计算表明摩擦能够有效地降低振动幅值,是有益的非线性。

考虑几何非线性效应的大柔性太阳能无人机静气动弹性分析

大柔性太阳能无人机在气动力的作用下产生较大的弯曲变形,引起气动载荷的重新分布及作用方向的改变,线性理论难以获得足够的精度。基于共旋转有限元理论,推导了几何非线性空间梁单元的切线刚度矩阵和内力求解格式,几何精确的描述了无人机机翼结构的几何非线性弹性变形;编写了空间共旋坐标有限元求解代码,利用计算流体力学软件FLUENT计算气动力,构造了流固耦合求解器;研究了类"太阳神"布局太阳能无人机几何大变形下的静气动弹性响应问题。研究结果表明:无人机受载变形后导致升阻比降低,翼尖弯曲变形为展长的13%时,升阻比降低4.2%,滚转力矩导数增加了300%,偏航力矩导数增加了350%;几何非线性效应改善了气动载荷在展向的分布,有利于机翼结构设计。研究工作对大柔性太阳能无人机的设计具有一定的参考意义。

非线性气动弹性模型参考自适应控制

首先将含有前/后缘双控制面二元机翼的动态方程以状态空间形式描述,然后考虑俯仰方向的迟滞非线性模型存在参数不确定性的情况下,利用Lyapunov稳定性理论进行了结构化模型参考自适应控制律设计。仿真结果显示:所设计的控制律能够使开环不稳定的气动弹性系统快速地达到稳定状态。由于最大控制面偏转的存在,来流速度较高时闭环系统仍会发生颤振;根据控制面最大偏转的不同取值,文中给出了闭环临界颤振速度的变化曲线。

基于非线性能量汇胞元的浮筏隔振结构减重研究

针对舰艇浮筏隔振系统设计技术瓶颈,特别是严格的重量和空间尺寸限制难题,基于非线性能量汇(Nonlinear Energy Sink,NES)的宽频自适应性能,本文提出应用NES胞元(NES cell)的浮筏隔振结构设计减重方法。NES胞元分别并联于浮筏隔振系统的所有子结构。建立4自由度的浮筏隔振系统和耦合NES胞元的减振系统的动力学模型,应用谐波平衡法(Harmonic Balance Method,HBM)推导出非线性系统的稳态响应满足的近似解析表达式,并利用龙格-库塔法(Runge-Kutta,RK)进行了数值验证。通过力传递率响应对比了不同的系统总重量与胞元数目下的振动抑制效果,并分析了胞元数目和系统总重量对系统振动的影响。结果表明,NES胞元能够在系统总重量降低的同时有效降低浮筏隔振系统全部模态的振动传递率。

二元机翼非线性气动弹性自适应控制

研究了带有前后缘控制面的二元机翼气动弹性颤振主动控制问题。采用多项式非线性模型建立气动弹性动态方程,然后考虑俯仰方向阻尼和刚度存在参数不确定性的情况下,利用Lyapunov稳定性理论设计了具有全局稳定的反馈线性化自适应和结构化模型参考自适应(SMRAC)控制律。仿真结果显示,在控制面偏转存在限制时,所设计的控制律可以有效地实现颤振的抑制,考虑阻尼不确定性对于颤振抑制具有减小收敛时间的作用,但对于系统响应特性占据主导作用的是刚度不确定性。

鱼骨柔性翼段线性/非线性静气动弹性对比分析

鱼骨柔性翼作为一种性能优越的主动变弯度机翼机构形式,具有弦向抗弯刚度低、翼型厚度方向刚度高的特点,其在进行大弯度主动变形时结构存在较强的几何非线性且气动弹性效应显著。针对传统线性静气动弹性分析方法并不适用于鱼骨柔性翼段的气动弹性分析问题,以Bristol大学的公开鱼骨柔性翼段模型为研究对象,采用曲面涡格法(VLM)和非线性有限元耦合的非线性静气动弹性方法,以及传统气动弹性分析中常用的平面涡格法和线性有限元耦合的线性静气动弹性方法,分别对鱼骨柔性翼段进行大变形下的静气动弹性分析,并进行结果对比。对比验证了所用曲面涡格法与XFOIL软件气动计算结果。算例结果表明:鱼骨柔性翼段大变形下气动弹性效应显著,相比传统线性静气动弹性分析方法,非线性静气动弹性分析方法得到的鱼骨柔性翼段在大变形状态下升力系数最多减少8.28%,力矩系数最多减少6.86%,且能准确快速得到真实变形结果,更具有实际工程应用价值。

17m超高坐地式玻璃肋幕墙系统结构性能和试验研究

文章以泰康大厦工程为背景,针对超高坐地式玻璃肋幕墙系统进行了大风压作用下的结构性能和位移能力试验研究,通过有限元、试验、理论三者进行对比分析。研究表明,该幕墙系统不仅满足1.75kPa风压作用下的结构性能要求和2.63kPa大风压下结构的安全性能要求,而且满足三个方向位移能力的要求。充分说明17m超高坐地式玻璃肋幕墙系统的设计方案安全可行,设计方案和试验结果可为今后超高坐地式玻璃肋幕墙系统的设计提供支持。

直齿锥齿轮系统动态特性参数解域界结构

为研究含间隙直齿锥齿轮系统的幅值跳跃、齿面冲击特性,用谐波平衡法建立系统动力学方程。在频率与间隙、时变刚度、静态综合误差和负载构建的参数平面内用Broyden拟牛顿法和伪弧长延续算法获得系统参数解域界结构,探索系统幅值跳跃、多值解和啮合冲击特性对参数的敏感性。结果表明在系统啮频和轴频主共振区均出现幅值跳跃和多值解现象,在啮频处动态特性更为复杂丰富。小间隙下存在严重的齿面冲击现象,当间隙b>0.98时系统的跳跃与齿面冲击均趋于稳定,系统动态特性对时变啮合刚度不敏感,在高速轻载、较大齿面误差激励下系统的非线性跳跃和齿面冲击均加剧。参数解域界结构为锥齿轮结构设计提供数据支持。

间隙非线性齿轮系统周期解结构及其稳定性研究

基于含有间隙的单自由度齿轮系统非线性动力学模型,运用伪不动点追踪法探讨了系统状态空间中同时存在的多重周期解,研究了阻尼参数和激励频率变化时系统周期解结构的变化,并进一步由预测—校正算法研究了各周期解的稳定性及分岔情况。研究结果表明,伪不动点追踪法可以有效地用于求解非线性动力系统的多重周期解结构,并可为周期运动的稳定性和分岔规律的研究提供良好的迭代初值,而系统的稳定性分岔规律则有助于更加细致地研究通向混沌的途径。

柔长结构气固耦合的线性与非线性气动力理论

针对柔性结构与风在三方向相互作用的特点 ,在合理的结构节段力学模型的基础上 ,建立了新的气动力模型 ,即三分力系数Ci =Ci(β(t) , θ) ,(i=D ,L ,M) 不仅是瞬时攻角的函数 ,而且也是转速的函数 ,并依据“片条理论”与改进的“准静态理论” ,提出了推导结构节段模型与风相互作用的线性与非线性气动力项的方法 ,从而将土木工程中柔性结构与风的相互作用的线性与非线性理论集中到一个模型中· 对于线性气动力部分 ,给出了与经典气动力公式中相对应的颤振导数的半解析表达式· 对于非线性气动力部分 ,给出了扭转气动耦合的非线性气动力表达式 ,并给出了Tacoma大桥扭转非线性运动的控制方程 ,其形式与结果与V .F .B

高压直流输电系统非线性变结构控制器的设计

为了进一步改善高压直流 ( HVDC)输电系统的性能 ,采用在逆变侧定无功电流控制方式代替传统的定熄弧角控制 ,并将现代控制理论中非线性系统的状态反馈精确线性化方法与线性系统的变结构控制理论相结合 ,设计了非线性变结构控制器。仿真结果表明 ,所设计的新型控制器能够改善直流系统的性能 。

含间隙和干摩擦舵结构系统的非线性动力学特征

针对舵结构系统的非线性动力学问题,提出了含间隙和干摩擦情况舵结构系统典型工况下的振动力学模型,基于理论分析揭示了舵结构系统变刚度、振幅跳跃、低频相位异常增大以及自激振动等现象发生的机理和规律,并将理论分析结果与数值计算和试验测量结果进行了对比,验证了理论模型和分析方法的正确性。

一类非线性系统时变滑模变结构控制

针对参数不确定性非线性系统 ,分析了在未知扰动下的输出调节问题 ,提出了基于李亚普诺夫稳定性理论意义下的时变滑模变结构控制律 ,该控制律能保证系统误差的快速收敛性及对外部扰动和参数不确定性的不敏感性 ,最后给出的仿真实例证实了理论分析结果的正确性 .