低速流场中柔性悬臂板的后颤振响应.pdf

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaMar252017Vol38No．3SSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：∥hkxb．buaaedu．cnhkxb@buaa．educn低速流场中柔性悬臂板的后颤振响应陈涛，徐敏*，谢丹，安效民西北工业大学航天学院，西安710072摘要：建立了一个新的非线性气动弹性模型，对低速流场中柔性悬臂板的后颤振响应特性进行了分析。建模中考虑了结构几何非线性、气动力非线性以及两者之问的强耦合效应。通过实验数据对所建立的气动弹性模型进行了验证。发现在低速流

2、场中柔性悬臂板可能会以周期加倍的方式进入混沌运动。结构几何非线性效应和翼尖涡引起的非定常气动力效应对柔性悬臂板的结构响应有显著影响，而尾涡变形引起的非定常气动力对结构运动的影响较小。还研究了不同耦合算法的差异，给出了小展弦比大柔性结构非线性气动弹性数值仿真时耦合策略的选择依据。关键词：低速流场；柔性悬臂板；后颤振；混沌运动；强耦合中图分类号：V211．47文献标识码：A文章编号：1000一6893(2017)03—120215—14低速流场中悬臂板的气动弹性行为可以用来解释现实中的许多现象，如机翼颤振、旗帜飘动和打鼾等。最近，Dunnm

3、on[1]和Doar6[21等甚至开始研究利用柔性悬壁板的颤振来收集能量用于发电。因此，低速流场中悬臂板的非线性气动弹性特性研究是一项很有意义的工作。关于低速流场中的非线性气动弹性问题，早期的研究可以追溯到二维情形，Lee等[3]对此做过详细的综述，二维问题中极限环振荡(LCO)、混沌运动等现象都已通过数值计算或实验等手段发现。对于三维问题，非线性效应比二维情况要复杂的多。Tang[41和Attar[53等通过耦合非定常涡格法和计算结构动力学的方法建立了一个非线性气动弹性模型，并研究了切尖三角翼和小展弦比长方形机翼在低速流场中的极限环振

4、荡特性。研究发现这些非线性气动弹性现象主要受结构几何非线性效应的主导。Cavallaro等口3采用有限元和势流理论方法研究了柔性连接翼的非线性气动弹性特性。Arena等口3采用势流理论方法研究了大柔性机翼的后颤振响应特性，他们发现流场的非定常效应会对机翼运动产生重要影响。此外，Relvas和Suleman[8]基于结构有限元方法和非定常涡格法也建立了一个非线性气动弹性模型并研究了柔性悬臂板的极限环振荡现象。国内尹维龙和田东奎[9]基于势流理论方法研究了二维柔性翼型的气动弹性特性。谢长川等口叩基于势流理论和结构有限元方法研究了柔性机翼的低

5、速颤振特性，结果发现结构几何非线性效应对柔性翼的颤振边界有重要影响。张健和向锦武口1]基于ONERA失速气动力模型和非线性梁模型研究了柔性飞机的非线性气动弹性特性。以上研究表明，低速流场中三维柔性结构的气动弹性建模需要考虑3种非线性效应：①由于结构大变形引起的结构几何非线性效应；②由于流场涡等引起的非定常气动力效应；③这两者的耦合效应。首先，对于结构几何非线性问题，收稿日期：2016．03—11：退修日期：2016-10一10；录用日期：2016—11-14；网络出版时间：2016—11—2210：56网络出版地址：wwwcnhnet／

6、kcms／detail／111929V201611221056．002．hlml基金项目：国家自然科学基金(11202165，11402212)*通讯作者．E—mai

7、：xumin@nwpueducn引用格武

8、咏涛。徐敏。谢丹，等．低速流场中柔性悬臂板的后颤振响应￡Jj．航空学报，2017。38(3)：1202

9、5icHENT．XUM．xlED．eta

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19、20215．120215．1航空学报Gordnier和Visbal[121研究表明，气动弹性建模中遇到的主要问题是像vonKarmann板理论等方法在求解几何大变形问题时会产生“锁住”效应。其次，对于低速气动弹性问题，目前国际上广泛采用势流理论方法进行非定常气动力建模。虽然有更精确的方法如cFD等，但在低速问题中柔性结构响应周期往往较长，采用CFD方法会消耗大量计算时间。Murua等[13]的研究表明非定常涡格法在计算准确性和计算效率2个方面都能达到较满意的效果，国内许多学者也采用非定常涡格法研究

20、低速飞行器的非定常气动力建模问题[14。1⋯，该方法还常用于气动力非定常效应很强的扑翼气动弹性现象研究[16。1”。最后，关于结构几何非线性与非定常气动力的耦合效应，Piperno和Far—hat[181的