计及热效应的结构气动弹性稳定性分析若干问题研究

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气动弹性稳定性问题是空气动力(或流体动力)与它所引起的绕流弹性物体的变形和位移发生相互作用而产生的。气动弹性稳定性问题中最重要的一个问题就是颤振,它是结构在气动力、惯性力和弹性力作用下刚好维持简谐运动的一种自激振动,如果结构自身阻尼不能耗散结构自激振动带来的能量,结构则会因振幅过大而发生颤振破坏。超声速或高超声速气流造成严重的气动加热会改变结构的固有振动特性,进而会影响到结构的气动弹性稳定性。  对比分析了亚音速气流中AGARD445.6机翼弱模型的颤振试验数据和仿真数据,验证了亚音速气弹分析中利用偶极子格网法进行气动建模的准确性,以及v-g法和p-k法在颤振边界识别上的适用性和快捷性。  研究了小展弦比机翼在气动加热过程中的翼面温度场分布情况,分析了气动加热过程中机翼结构的应力-应变和位移场变化情况,机翼在根部完全固支条件下,其应力最大值出现在迎风处的根部约束处,最小值则出现在最大值的对角处,应力-应变和位移的最大值均随着气动加热的进行逐渐变大。  分析了气动加热对结构振动特性和气弹稳定性的影响,探究了影响结构固有频率和颤振临界数据的根本原因。气动加热使结构产生不均匀的温度分布,一方面使材料的机械性能产生不同程度的退化,另一方面温差导致的热变形在边界约束条件下会在结构内部产生热应力,引起附加刚度效应。针对根部完全固支的小展弦比机翼,热应力在气动加热初期提高了其各阶固有频率,但随着气动加热的推进,各阶固有频率却不同程度的发生下降,其一阶扭转频率下降高达23.74%,机翼固有频率的下降将会直接导致气流中模态弯、扭耦合频率的下降,最终导致颤振临界频率和颤振临界速度出现不同程度的降低。  探究不同边界约束条件下热应力对结构总体刚度的影响,气动加热过程中,热应力在根部完全固支条件下对机翼颤振临界速度影响较大;反之,热应力对固有频率和颤振边界影响较小,针对边界约束较少机翼或全动翼/舵,颤振速度和颤振频率的下降则主要归因于材料机械性能的退化。
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