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超音速、高超音速非线性气动弹性问题研究

张伟伟  
【摘要】: 运用超音速、高超音速气动力工程计算方法和本文发展的当地流活塞理论计算非定常气动力,耦合结构运动方程,实现了热环境中带有伺服机构的气动弹性的时域仿真。 验证、分析了各种超音速、高超音速气动力工程计算方法,将各种工程方法统一起来,用于求解任意外形的飞行器气动力。通过与CFD计算结果和实验结果的比较证明该综合工程方法具有较广的应用范围,并将其推广到非定常气动力的计算。发展了一种运用定常CFD方法和活塞理论求解超音速、高超音速非定常气动力的新方法—当地流活塞理论。通过与非定常CFD方法和活塞理论的比较,证明当地流活塞理论具有精度高、使用范围广、效率高等优点,可以弥补原有活塞理论的很多局限性,其计算量比非定常CFD方法小得多。 运用上述的非定常气动力求解方法,耦合结构动力学方程,实现超音速、高超音速气动弹性的模拟。通过与大量颤振实验的比较,证明其有一定的精度。并在时间域内分析了高超音速气动弹性的非线性。 运用非耦合热-结构分析方法,考虑热应力引起的附加刚度,得到热环境下的结构分析的有限元模型,并计算了两种典型结构的高超音速翼面热结构。在时间域内实现了高超音速热气动弹性的仿真。分析了温度对这两种热结构气动弹性系统的不同影响。 将伺服机构的传递函数转化为状态方程和输出方程,在时间域内同时求解结构运动方程、非定常气动力、伺服状态方程和输出方程,实现了带有伺服机构的气动弹性系统的时域仿真。通过数值模拟发现,伺服系统会降低原有气动弹性系统的稳定性,结构陷波器的引入可以减弱伺服系统和结构模态的耦合。通过附加控制面,从颤振发生的能量原理出发,设计了一种线性饱和控制律。实现了颤振的主动抑制,可以将原有气动弹性系统的临界速度提高30%以上。并分析了各种参数对该系统的影响。


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