高超声速流中壁板的热弹性气动颤振及其主动控制

Keeping in mind the special characteristics of high Mach number and significant effect of thermodynamics for the hypersonic vehicles, this project focused on the investigation of the nonlinear dynamical responses, the thermoelastic flutter and its suppression of the panel in a hypersonic flow under the coupling actions of elastic and inertia forces, aerodynamics, thermal stress, and the sound loadings. First of all, the temperature is determined in terms of the flight speed and the environment variables, and the heat strain and the initial plan strain are countered in the constitutive equations, the nonlinear dynamical equations of the panel are established based on the von-Kaman large deformation nonlinear geometrical theory using the principle of virtual work. The third order piston theory is adopted to describe the aerodynamics, and the Gaussian random functions with zero-mean is employed to describe the stochastic sound loadings acted on the panel in a hypersonic flow. Through numerical integrations and model tests, the dynamical responses of the panel in the coupled actions of multi-physical fields are studied using theoretical, numerical, and experiment approach, respectively. In this way, the mechanism of the onset of the flutter is revealed. Finally, embedding piezoelectric films and pieces into the panel, the control strategy was proposed in terms of the property of the piezoelectric material to suppress the flutter of the panel actively. The achievements obtained here may provide basis for the dynamic analysis and design of flight control of near-space vehicles.

针对高超声速飞行器的飞行马赫数高，气动加热效应大的特点，研究高超声速流中的壁板在弹性力、惯性力、气动力、热应力和声载荷耦合作用下的非线性动态响应与热颤振及其抑制问题。首先建立温度与飞行速度和飞行环境变量的依赖关系，并将热应变和平面初应变计入系统的本构方程；基于von-Kaman大变形非线性几何理论，采用虚功原理建立壁板的非线性动力学模型，作用在壁板上的气动力采用三阶活塞理论模拟，高超声速气流中的随机声载荷则采用零均值高斯随机函数模拟。通过数值积分和模拟试验，分别从理论、数值和试验多方面多层次研究壁板在多场耦合作用下的动力学响应，揭示颤振产生的机理。最后，采用在壁板中加入压电薄膜和压电片的方式，利用压电材料的特性实现壁板颤振的主动控制，为近空间飞行器的动力学与飞行控制设计提供依据。

飞行器的蒙皮壁板在（高）超声速流中会承受流场、温度场和噪声环境的共同作用，壁板结构的弹性振动和作用于其上的气动载荷交互作用可能导致壁板颤振而呈现出极限环震荡现象。本项目的目的是研究（高）超声速流中壁板在弹性力、惯性力、气动力、热应力和噪声载荷共同作用下的非线性动态响应、热弹性颤振及其抑制问题。.高速飞行导致壁板升温，在建立壁板动力学模型时，将壁板热应变与初应变引入本构方程，采用三阶活塞理论描述气动力，作用壁板上的随机噪声载荷则采用零均值Gauss随机函数来描述。基于von-Kaman大变形非线性几何理论建立了复合材料壁板的非线性动力学方程，数值模拟的结果揭示了颤振发生机理以及气动阻尼对于颤振临界速度的影响。.提出了用于提高壁板颤振临界速度和抑制其极限环幅值的被动和主动控制方法。被动控制方面，首先采用在壁板的背风面加筋的方式，研究了加筋方案、筋条几何尺寸等参数对颤振临界动压及其壁板横向振动幅值的影响；仿真结果表明，适当地加筋可以极大地提高壁板的临界颤振动压。此外，安装在壁板背风面的动态吸振器用于重新分布壁板的固有频率，使得当动压提高时，壁板的第3、4阶频率趋于重合而导致颤振，而前两阶频率保持分离，导致临界颤振动压从低阶频率向高阶频率漂移，从而极大地提高颤振临界速度。.关于壁板的主动控制，采用LQR控制策略设计了有效控制律，将LQR控制与非线性反馈结合提出了组合控制方法。为了进一步改善控制效率，提出了基于参考速度和状态反馈的递进式LQR控制方法，这一方法可用于逐次提高壁板的临界颤振速度。采用沿来流方向在背风面安装压电促动器或者在壁板中嵌入形状记忆合金的方式实现了项目提出的各种控制策略。.在哈工大飞行器动力学与振动控制实验室构建了用于（高）超声速流中壁板颤振与极限环震荡试验的实验平台。根据活塞理论计算得到的气动载荷（壁板横向位移和速度的函数）通过8个促动器作用于壁板，而电涡流位移传感器则被用来测量壁板的横向位移。通过实验测得了壁板的颤振速度，并再现了表示极限环振动幅值的颤振曲线。本项目提出的实验方法和获得的理论成果为（高）超声速飞行器壁板的颤振分析和主/被动控制器设计奠定了基础。