基于降阶模型的AGARD机翼气动弹性研究

基于非定常气动力降阶模型ROM,耦合结构运动方程建立气动弹性降阶模型,通过时域分析以及系统特征根求解可以快速评估气动弹性系统的稳定性。ROM将气动力与模态运动相联系,利用CFD技术进行气动力模型训练,计算量小于CFD/CSD直接模拟的代价。算例选取了气动弹性分析的标准模型AGARD 445.6机翼,降阶模型预测的颤振结果与风洞试验数据相吻合。     

基于气动力降阶模型的高超声速舵面颤振分析

采用自回归移动平均模型研究了高超声速环境下的气动力降阶问题,建立气动力降阶模型的状态空间形式,并与结构模态叠加法耦合进行时域颤振分析。采用频带宽度较佳的广义3211型位移输入作为训练输入,完成关键的训练过程并获得广义气动力系数作为训练输出;在此基础上利用MATLAB系统辨识工具箱进行ARMA模型的参数估计;最后完成气动力降阶模型的验证。结果表明,气动力ROM的建立过程简便可靠,一定程度上体现了工程应用特点,在定马赫数工况下,基于气动力ROM的颤振计算效率较传统的CFD方法显著提高。     

气动弹性系统本征正交分解降阶模型精度的参数影响研究

为了快速分析跨音速非线性气弹系统的颤振边界和响应特性,通过本征正交分解(POD)降阶方法建立了基于CFD的气动弹性降阶模型(ROM)。实现过程包括对非线性定常CFD流场的小扰动泰勒分解,建立基于CFD的全阶线性化模型;再通过POD方法得到流体ROM;耦合结构动力学方程构成基于CFD的气弹ROM。以国际气弹标模AGARD 445.6机翼为研究对象,系统研究了ROM建立过程中初始流场、响应时间步长和样本数据等重要参数对于模型精度的影响,并将ROM应用于颤振边界的预测。研究表明:作为线性化方程建立的定常流场,若收敛性不够,易导致线性化模型不稳定甚至发散;响应计算中,时间步长若选取过大将会导致数值振荡、发散;为捕捉更多的非线性流场特性,系统激励后POD样本的产生需保证足够的数据采集时间;所建立的ROM具有同原始非线性CFD/CSD系统同样的精度,是一个低维度状态空间数学模型,可直接用于系统特性分析和颤振抑制等设计。相比CFD/CSD耦合计算,ROM在计算效率上提高了3~6个量级。     

基于BPOD的气动弹性降阶及其在主动控制中的应用

流体动力系统是一个高阶的非线性复杂系统,这严重限制了优化和控制在该系统中的应用。模型降阶技术是解决这一问题的有效工具。将特征正交分解方法（Proper Orthogonal Decomposition,POD）和平衡截断方法结合起来,形成平衡特征正交分解方法（Balanced Proper Orthogonal Decomposition,BPOD）,并应用到气动伺服弹性模型降阶中。该方法将由POD快照得到系统可控和可观Gramian矩阵的近似表达,通过该近似得到平衡降阶模型。以一个二维翼段的气动弹性系统为例,首先将流体控制方程线化;然后利用BPOD方法得到非定常气动力的降阶模型以及降阶的气动弹性系统;最后,对降阶系统设计主动控制律,通过控制面偏转来抑制翼型颤振。数值仿真结果表明BPOD降阶模型可以精确地模拟高阶非线性的流体动力系统并且可以有效地应用于气动弹性主动控制中。     

基于参数化降阶模型的非线性气动弹性高效分析

针对非线性气动弹性分析时需要在时域求解多个流场参数条件下结构运动方程而造成的计算消耗过大的问题，提出了一种适用于参数变化时非定常流场高效计算的参数化降阶模型，不仅可以应用于计算机翼等结构的总体气动力还可以得到每个时刻的结构表面的流场数据分布，并成功应用于典型机翼的跨声速颤振边界的计算，大大地提高了计算效率.结果显示，单流场条件时降阶模型的计算速度比直接使用时域分析方法提高了3倍；在计算多流场参数条件下，参数化降阶模型相比于使用单流场降阶模型计算速度提高了3.5倍，相较于时域分析方法提高了10倍.     

基于有限状态入流的无轴承旋翼气弹稳定性

为准确分析悬停状态下无轴承旋翼的气动弹性稳定性,建立了一种基于有限状态入流的直升机气动弹性稳定性分析的模型.采用格林-拉格朗日应变张量推导了无轴承旋翼桨叶的非线性应变-位移关系,把桨叶作为多路传力系统进行处理并根据哈密顿原理建立了桨叶运动的有限元方程,非定常气动力采用有限状态状态入流模型.根据桨叶模态方程的特征值判断悬停状态下无轴承旋翼的气动弹性稳定性.数值计算结果表明：采用有限状态入流模型计算桨叶的一阶摆振阻尼比传统的动力入流模型和均匀入流模型与试验数据的符合程度更好,从而验证了本模型的正确性.     

基于代理方法的带小翼翼型气动模型

为满足带后缘小翼智能旋翼气动弹性分析的需求,建立一种基于代理方法的后缘小翼翼型气动力计算模型。模型从小翼偏转后的翼型实际形状出发,对带偏转小翼的翼型流场划分C型网格,基于二维黏性N-S方程求解流场计算翼型气动力。为方便气动弹性集成分析,节约求解非定常翼型气动力的时间成本,以RBF模型代理翼型CFD方法计算非定常翼型的环量气动力,以薄翼型理论计算气动力的非环量部分。以对称的NACA 0012翼型和非对称的NACA 23012翼型风洞试验数据和模型的计算结果对比,充分验证了模型计算常规翼型和带小翼翼型气动力的精度,同时证实了模型对不同翼型形状的适应性。     

流速对尾流激励的叶片气动力降阶模型的影响

介绍了基于Volterra级数的尾流激励叶片气动力降阶模型,用于上游尾流激励下叶片气动载荷的快速计算。用一个叶片的算例验证了该降阶模型,通过不同流速的算例对比发现:该降阶模型可以快速准确地描述尾流激励引起的叶片气动力,流速或流场结构不是影响该气动力降阶模型精度的关键,而上游尾流扰动是否满足小扰动假设是保证该气动力降阶模型精确的关键。     

采用非线性Galerkin方法的柔性梁模型降阶研究

针对采用Galerkin方法获取的结构动力学降阶模型精度不高的问题,以考虑几何非线性的两端固支柔性梁作为研究对象,建立了两端固支柔性梁非线性动力学模型。首先采用Galerkin方法将原系统降阶,得到单自由度、三自由度和五自由度系统,再采用非线性Galerkin方法将二自由度和三自由度系统降阶为单自由度系统。通过分析降阶模型的非线性动力学行为,得到系统响应随外荷载幅值变化的分岔图,给出系统做周期运动、倍周期运动和混沌时的时程曲线、相图与庞加莱映射图。在特定频率下,通过改变外荷载幅值来控制系统进出混沌状态。与Galerkin方法得到的降阶模型进行了对比,通过比较进出混沌状态时的外荷载幅值,分析了两种方法的降阶效果。结果表明:非线性Galerkin方法能够有效提高降阶模型的精度,更接近真实模型;采用非线性Galerkin方法降阶得到相同自由度的低阶系统时,原模型阶数越高,得到的低阶模型越精确。     

动静叶干涉中背压扰动叶栅气动力的降阶模型

现有航空发动机气动力降阶模型的研究主要集中在叶片颤振方向,对动静叶干涉引起叶栅气动力变化的问题没有讨论。其中背压扰动是动静叶干涉影响上游叶栅气动力的重要因素。通过对背压扰动的傅里叶分解,分别计算分解背压扰动所得各谐波引起的叶栅气动力响应,由此建立了基于谐波平衡法的背压扰动叶栅气动力降阶模型。在此基础上,研究了各谐波幅值对气动力降阶模型精度的影响。算例的结果表明:提出的方法能非常好地描述动静叶干涉中背压对上游叶栅气动力的影响;根据幅值大小选择主谐波,可以在不大幅降低气动力降阶模型精度的情况下减少待定参数的个数;利用该方法可准确确定任意时刻动静叶干涉中背压扰动叶栅的气动力。     

基于特征正交分解与离散经验插值的浅水波模式降阶解法

利用特征正交分解方法(proper orthogonal decomposition method,POD)与离散经验插值方法(discrete empirical interpolation method,DEIM)对旋转大气中有限区域浅水波模式进行降阶处理,获得浅水波模式的POD/DEIM降阶模型(ROM)及其数值解,评估降阶模型刻画大尺度大气系统的能力和效率。研究结果表明:POD/DEIM降阶模型从根本上实现了浅水波模式降阶,提高了计算效率,降低了计算代价。POD/DEIM降阶模型的计算效率明显高于POD降阶模型和全阶模型,并且可以捕获全阶模型超过99. 8%的能量。特别当空间格点数量明显增加时,POD/DEIM降阶模型CPU耗时很少。但POD/DEIM降阶模型模拟质量依赖于瞬像维数和DEIM插值点维数两个可变参数,并且DEIM插值点数量减少会明显缩短POD/DEIM降阶模型的CPU耗时。     

大展弦比机翼/外挂系统气弹响应研究

综合考虑大展弦比机翼的几何非线性和外挂与机翼连接处的中心间隙非线性,建立了大展弦比机翼/外挂系统的气动弹性力学模型。采用非定常气动力,根据Hamilton原理推导了大展弦比机翼/外挂系统的运动微分方程。运用伽辽金法进行离散,通过数值模拟研究了系统的气动弹性响应及其稳定性。结果表明：中心间隙使系统出现极限环的起始速度明显降低,且在单稳极限环振动速度区间颤振幅值出现跳跃现象;随流速的增加,系统响应呈现出复杂的现象,如拟周期运动、周期运动与混沌运动相间出现、屈曲后颤振等。     

基于神经网络的跨音速非定常气动力的辨识

利用递归神经网络(RNN)模型具有时间记忆性,且会考虑之前的输入输出对当前输出影响的特点,以递归神经网络方法建立了NACA0012翼型在跨音速阶段的非定常气动力模型;利用CFD计算NACA0012翼型绕其刚心作变频俯仰运动的跨音速气动力系数为训练数据,建立跨音速非定常气动力模型。以建立的跨音速非定常气动力模型预测NACA0012翼型作俯仰简谐振动的气动力系数,并与CFD计算的气动力系数进行对比。结果表明,该模型具备优良的逼近非线性非定常气动力的能力;针对跨音速二维翼型,该模型相比CFD可以更快速地构建,并能迅速且较为准确地预测不同频率下作简谐振动时的气动力。     

大展弦比机翼/外挂系统气弹响应的数值研究

综合考虑大展弦比机翼的几何非线性和外挂与机翼连接处的中心间隙非线性,建立了大展弦比机翼/外挂系统的气动弹性力学模型。采用非定常气动力,根据Hamilton原理推导了大展弦比机翼/外挂系统的运动微分方程。运用伽辽金法进行离散,通过数值模拟研究了系统的气动弹性响应及其稳定性。结果表明:中心间隙使系统出现极限环的起始速度明显降低;且在单稳极限环振动速度区间颤振幅值出现跳跃现象;随流速的增加,系统响应呈现出复杂的现象,如拟周期运动、周期运动与混沌运动相间出现、屈曲后颤振等。     

基于CFD仿真的平板非线性气动力系统特征研究

为研究平板气动力系统的非线性特征,基于非定常雷诺时均Navier-Stokes(RANS)方程和SSTk-ω湍流模型,数值模拟了在单位位移激励下平板非定常运动的绕流场,获得了作用在平板上的气动力时程,并基于Volterra理论开展了平板非线性气动力系统识别.研究表明,本文建立的平板非线性气动力模型能对一定频率带宽和一定幅值范围的激励产生合理的响应;在本文研究的强迫运动位移幅值和频率范围内,平板非线性气动力模型响应没有表现出对振动幅值和频率的明显相关性,且其气动力的非线性效应并不明显,因而可以认为小攻角下的平板绕流属于气动力弱非线性系统.本文研究证明了CFD模拟在桥梁主梁气动力系统识别上的明显优势.     

直升机旋翼前飞状态下的气动弹性分析

建立一种旋翼前飞状态下的旋翼气动弹性分析模型,模型中采用松耦合方法集成高精度计算流体力学(CFD)气动模型。采用Green应变以及几何精确的弹性运动及变形的几何关系式;并通过Hamilton建立旋翼动力学方程。采用基于N-S控制方程的CFD气动模型,采用滑移网格技术实现桨叶运动。通过计算SA349/2直升机前飞状态下的挥舞、摆振振动载荷,对比试验数据,验证建立的气动弹性分析模型。结果表明,集成CFD的气弹模型能有效提高振动载荷预估精度,对于高阶谐波载荷的计算有很大的提高。     

二维弹性翼型动态失速响应紧耦合模型建立

根据经典气动弹性响应模型和刚性动态失速模型,推导公式,建立了二维弹性翼型动态失速下气弹响应的紧耦合模型。计算模型为典型动态失速风洞模型,应用最小二乘法拟合实验气动力得到了气动力模型。应用此气动力模型进行气动弹性响应紧耦合计算,结果表明,同样的条件下,弹性模型比刚性模型的动态失速现象会更明显,实际飞行攻角及升力的变化范围可能增大,弹性影响不可忽视。     

基于部分可控性矩阵的模型降阶方法及误差分析

针对单输入单输出系统,利用部分可控性矩阵的M-P广义逆作为集结矩阵,提出了一种新的近似集结法模型降阶方法。首先给出了当系统可控与不可控时的2种降阶模型,然后通过误差最小分析归结为一种降阶模型,并利用向量到子空间的距离给出了不同阶降阶模型误差的一个简单计算方法。以此误差作为标准,可以方便地选择满足需要的降阶阶数及降阶模型。最后以实例表明了该方法的有效性和应用性。     

具有结构非线性的超音速翼面气动弹性分析

为分析超音速流中全动操纵面的非线性气动弹性特性,采用描述函数法计入操纵间隙引起的结构刚度非线性,用修正的活塞理论计算非定常气动力,并以龙格-库塔法按时间步推进运动方程,求解非线性系统的响应特性。某超音速小展弦比全动翼面的气动弹性响应分析结果表明,由于结构非线性的影响,在一定的速度范围内,系统响应出现极限环运动;且极限环幅值随来流速度的增大而增大;操纵间隙增大,极限环振荡的频率、幅值均增大。分析结果为飞行器的结构设计提供了参考。     

用中心流形与形式级数法研究超音速流中带外挂二元翼的稳定性

基于超音速气动力活塞理论,采用第二类拉格朗日方程建立了带外挂二元翼系统在超音速和超高音速气流作用下的动力学方程。针对外挂上带有立方非线性刚度的系统,研究了刚心位置和等效线性刚度对颤振边界的影响。采用中心流形和形式级数方法研究了颤振系统平衡点的稳定性,并采用四阶龙格-库塔方法计算了非线性气动弹性系统的响应,验证了理论分析结果的正确性。