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)的氣動力耦合作用下產(chǎn)生的一種自激振動現(xiàn)象。壁板顫振將引發(fā)壁板的大幅度橫向振動,可能導致飛行器結(jié)構(gòu)的疲勞失效。飛行過程中由于氣動熱效應引發(fā)的壁板溫度的升高將在壁板面內(nèi)產(chǎn)生熱應力和力矩,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)生的氣動噪聲對壁板的疲勞壽命也會帶來很大的危害。為減小壁板顫振對飛行器結(jié)構(gòu)帶來的危害,通常研究者們采用不同的主、被動控制方法提高

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

3、理論求解了壁板的臨界顫振動壓,并對工程上出現(xiàn)的頻率重合現(xiàn)象進行了解釋。隨后討論了線性氣動阻尼對壁板臨界顫振動壓、固有頻率和振動頻率的影響。
　　采用結(jié)構(gòu)設計中常見的加肋方式對壁板實施被動顫振控制,研究超聲速流中加肋壁板的動力學響應。為節(jié)約計算成本,摒棄了傳統(tǒng)的有限元建模方法,在合理的假設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原理進行建模,肋條子系

4、統(tǒng)則采用Euler-Bernoulli梁理論進行建模。根據(jù)變形協(xié)調(diào)關(guān)系,導出壁板子系統(tǒng)和肋條子系統(tǒng)間作用力/反作用力表達式,最終建立加肋壁板的偏微分運動方程。對系統(tǒng)進行伽遼金離散,并采用Runge-Kutta法對加肋壁板的動力學響應進行模擬。隨后討論肋條高度、寬度和加肋方案對顫振抑制效果的影響。
　　采用在壁板背風面安裝動態(tài)吸振器的方法對壁板顫振實施被動控制。建模時計及動態(tài)吸振器和壁板間的耦合效應,將二者間的作用力描述為其相對位移

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