超聲速流中壁板的顫振及其抑制.pdf

1、壁板顫振是指壁板暴露在超聲速氣流中,由于慣性力、彈性力和流經(jīng)壁板表面氣流引發(fā)的氣動(dòng)力耦合作用下產(chǎn)生的一種自激振動(dòng)現(xiàn)象。壁板顫振將引發(fā)壁板的大幅度橫向振動(dòng),可能導(dǎo)致飛行器結(jié)構(gòu)的疲勞失效。飛行過程中由于氣動(dòng)熱效應(yīng)引發(fā)的壁板溫度的升高將在壁板面內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力和力矩,降低壁板的彎曲剛度。另外,由于飛行器引擎和超聲速氣流產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲對(duì)壁板的疲勞壽命也會(huì)帶來很大的危害。為減小壁板顫振對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)帶來的危害,通常研究者們采用不同的主、被動(dòng)控制方法提高

2、壁板的臨界顫振動(dòng)壓或降低顫振時(shí)壁板的振動(dòng)幅值。為此,本文主要針對(duì)以下幾個(gè)問題展開研究:
　　采用vonKarman大變形位移——應(yīng)變關(guān)系和三階氣動(dòng)活塞理論描述壁板顫振模型中的幾何非線性因素和氣動(dòng)非線性因素,利用Hamilton原理建立超聲速流中壁板的非線性運(yùn)動(dòng)微分方程。采用伽遼金離散法對(duì)所得的壁板偏微分運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行空間離散,得到壁板的常微分運(yùn)動(dòng)方程組,最后采用Runge-Kutta法對(duì)壁板的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。采用非線性動(dòng)力學(xué)

3、理論求解了壁板的臨界顫振動(dòng)壓,并對(duì)工程上出現(xiàn)的頻率重合現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。隨后討論了線性氣動(dòng)阻尼對(duì)壁板臨界顫振動(dòng)壓、固有頻率和振動(dòng)頻率的影響。
　　采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見的加肋方式對(duì)壁板實(shí)施被動(dòng)顫振控制,研究超聲速流中加肋壁板的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。為節(jié)約計(jì)算成本,摒棄了傳統(tǒng)的有限元建模方法,在合理的假設(shè)條件下將加肋壁板等效為壁板子系統(tǒng)和肋條子系統(tǒng),兩個(gè)子系統(tǒng)間在接觸面處滿足力和位移的匹配條件。壁板子系統(tǒng)仍采用Hamilton原理進(jìn)行建模,肋條子系

4、統(tǒng)則采用Euler-Bernoulli梁理論進(jìn)行建模。根據(jù)變形協(xié)調(diào)關(guān)系,導(dǎo)出壁板子系統(tǒng)和肋條子系統(tǒng)間作用力/反作用力表達(dá)式,最終建立加肋壁板的偏微分運(yùn)動(dòng)方程。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行伽遼金離散,并采用Runge-Kutta法對(duì)加肋壁板的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行模擬。隨后討論肋條高度、寬度和加肋方案對(duì)顫振抑制效果的影響。
　　采用在壁板背風(fēng)面安裝動(dòng)態(tài)吸振器的方法對(duì)壁板顫振實(shí)施被動(dòng)控制。建模時(shí)計(jì)及動(dòng)態(tài)吸振器和壁板間的耦合效應(yīng),將二者間的作用力描述為其相對(duì)位移

5、和相對(duì)速度的函數(shù),分別采用Hamilton原理和牛頓第二定律對(duì)壁板和動(dòng)態(tài)吸振器進(jìn)行建模,并基于兩者間的作用力關(guān)系建立壁板——?jiǎng)討B(tài)吸振器系統(tǒng)的聯(lián)立運(yùn)動(dòng)方程組。分別討論動(dòng)態(tài)吸振器質(zhì)量、剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)和安裝位置對(duì)壁板顫振抑制效果的影響,最后根據(jù)動(dòng)態(tài)吸振器對(duì)壁板顫振重合頻率的影響規(guī)律對(duì)動(dòng)態(tài)吸振器的安裝位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　研究聲熱聯(lián)合激勵(lì)下壁板的顫振特性。在壁板的幾何關(guān)系中引入熱應(yīng)變,并采用有限帶寬的零均值高斯白噪聲模擬壁板表面所受