《高超聲速流中壁板的熱彈性氣動顫振及其主動控制》是依託哈爾濱工業大學，由曹登慶擔任項目負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：高超聲速流中壁板的熱彈性氣動顫振及其主動控制
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：重大研究計畫
- 項目負責人：曹登慶
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
針對高超聲速飛行器辨朵蜜的飛行馬赫數高，氣動加熱效應大的特點，研究高超聲速流中的壁板在彈性力、慣性力、氣動力、熱應力和聲載荷耦合作用下的非線性動態回響與熱顫振及其抑制問題。首先建立溫度與飛行速度和飛行環境變數的依賴關係，並將熱應變和平面初應變計入系統的本構方程；基於von-Kaman大變形非線性幾何理論，採用虛功原理建立壁板的非線性動力學模型，作用在壁板上的氣動力採用三階活塞理論模擬，高超聲速氣流中的隨機聲載荷則採用零均值高斯隨機函式模擬。通過數值積分和模擬試驗，分別從理論、數值和試驗多方面多層次研究壁板在多場耦合作用下的動力學回響，揭示顫振產生的機理。最後，採用葛廈講在壁板中加入壓電薄膜和壓電片的方式，利用壓電材料的特性實現壁板顫振的主動控制，為近空間飛行器的動力學與飛行控制設計提供依據。
結題摘要
飛行器的蒙皮壁板在（高）超聲速流中會夜埋道承受流場、溫度場和噪聲環境的共同作用，壁板結構的彈性振動和作用於其上的氣動載荷互動作用可能導致壁板顫振而呈現出極限環震盪現象。本項目的目的是研究（高）超聲速流中壁板在彈性力、慣性力、氣動力、熱應力和噪聲載荷共同作用下的非線性動態回響、熱彈性顫振及其抑制問題。 高速飛行導致壁板升溫，在建立壁板動力學模型時，將壁板熱應變與初應變引入本構方程，採用三階活塞理論描述氣動力，作用壁板上的隨機噪聲載荷則採用零均值Gauss隨機函式來描述。基於von-Kaman大變形非線性幾何理論建立故雄店辣了複合材料壁板的非線性動力學方程，數值模擬的結果揭示了顫振發生機理以及氣動阻尼對於顫項您愚振臨界速度的影響。 提出了用於提高壁板顫振臨界速度和抑制其極限環幅值的被動和主動控制方法。被動控制方面，首先採用在壁板的背風面加筋的方式，研究了加筋方案、筋條幾何尺寸等參數對顫振臨界動壓及其壁板橫向振動幅值的影響；仿真結果表明，適當地加筋可以極大地提高壁板的臨界顫振動壓。此外，安裝在壁板背風面的動態吸振器用於重新分布壁板的固有頻率，使得當動壓提高時，壁板的第3、4階頻率趨於重合而導致顫振，而前兩階頻率保持分離，導致臨界顫振動壓從低階頻率向高階頻率漂移，從而極大地提高顫振臨界速度。 關於壁板的主動控制，採用LQR控制策略設計了有效控制律，將LQR控制與非線性反饋結合提出了組合控制方法。為了進一步改善控制效率，提出了基於參考速度和狀態反饋的遞進式LQR控制方法，這一方法可用於逐次提高壁板的臨界顫振速度。採用沿來流方向在背風面安裝壓電促動器或者在壁板中嵌入形狀記憶合金的方式實現了項目提出的各種控制策略。 在哈工大飛行器動力學與振動控制實驗室構建了用於（高）超聲速流中壁板顫振與極限環震盪試驗的實驗平台。根據活塞理論計算得到的氣動載荷（壁板橫向位移和速度的函式）通過8個促動器作用於壁板，而電渦流位移感測器則被用來測量壁板的橫向位移。通過實驗測得了壁板的顫振速度，並再現了表示極限環振動幅值的顫振曲線。本項目提出的辯汗漏愚實驗方法和獲得的理論成果為（高）超聲速飛行器壁板的顫振分析和主/被動控元少制器設計奠定了基礎。
