超声速气流中谐调与失谐周期壁板结构非线性振动与颤振主动控制研究

This project will combine the vibration theory, aeroelasticity, control theory and other multi-discipline knowledge, and take the skin structures of aircrafts with periodic supports in supersonic airflow as the main research object, to investigate the vibration and aerothermoelastic properties of such structures under aerodynamic and thermal loadings. And the active nonlinear flutter and aerothermal post-buckling control and active tuning of ordered and disordered periodic panel structures will also be studied. A new method of accurately establishing and solving the aerothermoelastic model of panels with stringers, ribs and other internal stiffener structures will be proposed. The nonlinear aerothermoelastic characteristics of the periodic panel structures will be analyzed and the mechanism of the influences of disorder on the flutter bound of the periodic structures will be explored in advance. Based on the above analyses, piezoelectric materials will be introduced to act as actuators and sensors, and the electromechanically coupled equations of motion of the periodic panel structures will be established. According to the modern control theory and multi-objective optimization algorithm, the optimal controller will be designed to conduct the active nonlinear flutter and aerothermal post-buckling control of the periodic panel structure and the active tuning of the disordered structures. Based on the CFD/CSD technique, the aerothermoelastic properties of the periodic panel structures will be numerically simulated. And taking the multi-span periodic plate structure as the research object, the vibration characteristics and active tuning will be validated through the experiment. The research of this project is expected to provide an effective theoretical basis for the design of aircraft structures.

本项目将结合振动理论、气动弹性力学以及控制理论等多学科知识，以超声速气流中含周期性支撑飞行器蒙皮结构为主要研究对象，考察此类结构在气动力和温度载荷作用下的振动和气动热弹性特性，并对谐调和失谐周期壁板结构的非线性颤振和气动热后屈曲进行主动控制和失谐后的主动调谐研究。提出准确建立和求解含纵梁和肋拱等内部加强结构气动热弹性模型的新方法，分析周期壁板结构的非线性气动热弹性特性，探究失谐对结构颤振边界的影响机理。在此基础上，引入压电材料作为作动器和传感器，建立周期壁板结构的力电耦合动力学模型。根据现代控制理论和多目标优化算法，设计最优控制器，从而对周期壁板结构的非线性颤振和气动热后屈曲进行主动控制以及失谐后的主动调谐。基于CFD/CSD技术，对周期壁板结构的气动热弹性特性进行数值仿真，并以多跨周期平板结构为研究对象，进行振动特性和主动调谐实验验证。本项目研究有望为飞行器结构设计提供有效的理论依据。

发展航空航天事业是我国中长期科技发展规划的重要内容。颤振是飞行器结构常见的一种气动弹性不稳定现象。当颤振发生以后，结构将发生自激振动，进而导致飞行器结构的疲劳破坏。因此，研究飞行器结构的颤振和振动控制方法具有十分重要的理论意义和实际应用价值。本项目主要以谐调和失谐结构为研究对象，分析他们的颤振和振动特性，在此基础上，对结构的颤振和振动进行了主被动控制的研究。具体研究内容和结果如下：.（1）失谐结构模态局域化产生机理。通过建立双跨梁结构的动力学模型并获得其弯曲振动的解析解，研究了跨长失谐引起的模态局域化、频率转向以及模态交换等现象，由此揭示了结构振动模态局域化的产生机理及其对结构颤振特性的影响机理；.（2）提出了轴向功能梯度设计方法，对结构的模态局域化进行了被动调控，进而实现了结构振动的被动控制；.（3）研究了壁板颤振中的模态局域化现象，并提出了一种轴向功能梯度设计方法，实现了对壁板颤振的被动控制。此外，利用反模态局域化思想，引入集中质量和约束等模态局域化因素，最大限度地抵消了气动载荷对结构刚度的影响。并提出了利用集中质量消除结构局域模态耦合的方法；.（4）将结构振动与壁板颤振模态局域化理论的研究结果引入到对大展弦比机翼的气动弹性颤振分析与控制中，分析了其相关参数对机翼颤振临界速度的影响；.（5）基于模态局域化思想提出了一种振动主动控制方法。通过引入主动控制人为地构造所需的结构振动模态，从而隔离位于某一区域物体的振动。压电片用作传感器或作动器。采用遗传算法确定最优开环驱动电压或闭环反馈控制增益，并以平板上物体的隔振为例具体说明了该主动振动控制方法；.（6）将相消干涉理论引入到振动主动控制，提出了主动反模态振动控制方法。通过理论分析、数值模拟和实验验证，验证了基于模态理论的振动主动控制方法的控制效果。.本项目的研究可为工程实际应用中的颤振和振动主被动控制提供理论依据。