跨音速抖振邊界附近若干氣動彈性問題研究.pdf

1、跨音速顫振和跨音速抖振都是經(jīng)典的跨音速氣動彈性問題，它們有可能導(dǎo)致飛行器結(jié)構(gòu)的破壞，常常影響新型號的研制進(jìn)程。學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為抖振問題的流固耦合特性較弱，常采用解耦方法基于剛硬機(jī)翼開展研究，而實際上機(jī)翼的彈性特征對跨音速抖振特性影響較大。
　　隨著計算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展，數(shù)值仿真已成為跨音速抖振和顫振研究的重要手段。論文采用非定常雷諾平均 N-S方程(URANS)，通過流固耦合時域模擬方法，研究了彈性機(jī)翼跨音速狀態(tài)的抖振問題。

2、對于跨音速單自由度顫振問題研究，除了采用直接的數(shù)值模擬方法，便于其參數(shù)分析和機(jī)理研究，還建立了基于降階模型(ROM)的跨音速單自由度顫振分析模型。主要開展了如下工作：
　　(1).基于流固耦合時域仿真方法研究彈性機(jī)翼在跨音速抖振邊界附近的單自由度顫振特性。在抖振起始迎角之下，耦合系統(tǒng)會發(fā)生單自由度自激振蕩，并且這種顫振發(fā)生的條件與抖振密切相關(guān)，只在迎角輕微低于抖振起始迎角，并且只有結(jié)構(gòu)固有頻率與抖振頻率或其2倍頻接近時才發(fā)生。顫振

3、響應(yīng)特性在抖振起始迎角上下沒有發(fā)生突變，其變化是近似光滑的，也會出現(xiàn)跨音速抖振響應(yīng)中存在的“鎖頻”現(xiàn)象。這種單自由度顫振的誘發(fā)與跨音速抖振密切相關(guān)。
　　(2).對單自由度顫振的特征分析表明，氣動模態(tài)和結(jié)構(gòu)模態(tài)的耦合，是誘發(fā)跨音速單自由度顫振的根本原因，而發(fā)生耦合的條件是：(a)流動本身接近失穩(wěn)，氣動模態(tài)阻尼較??；(b)結(jié)構(gòu)固有頻率與氣動特征頻率滿足一定的相對關(guān)系。結(jié)構(gòu)剛度較大時，耦合失穩(wěn)頻率跟隨結(jié)構(gòu)固有頻率，即“鎖頻”現(xiàn)象；而對

4、于小剛度，耦合失穩(wěn)頻率在流動特征頻率附近，此時傳統(tǒng)的強(qiáng)迫運動法不再適用。
　　(3).彈性機(jī)翼在跨音速流動中可能發(fā)生顫振和抖振的伴生和博弈現(xiàn)象。顫振促使結(jié)構(gòu)響應(yīng)發(fā)散，當(dāng)瞬時迎角大于抖振起始迎角，抖振伴隨顫振發(fā)生，抖振的高頻氣動載荷破壞了顫振模態(tài)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)轉(zhuǎn)為衰減，振幅減小，抖振退出，結(jié)構(gòu)又將發(fā)生顫振，周而復(fù)始。算例表明，高頻的抖振載荷使顫振兩個模態(tài)間的相角差發(fā)生明顯變化，結(jié)構(gòu)由從氣流中吸收能量變?yōu)橄驓饬鬏斔湍芰?，?dǎo)致顫振臨時退出