亚音速壁板气动弹性系统复杂响应研究

The panel structures such as the train skins and windows have been widely applied in the streamlined design of high-speed trains. With the speed-up of trains, the flow-induced vibration of these panels become even more obvious and will affect the service of the panel structures and trains. To understand in details the dynamic behavior of panels in subsonic aerodynamic condition has important theoretical signficance and good prospects for engineering applications. This project intends to focus on the stabilities and nonlinear dynamics analysis of subsonic panels from the perspective of aeroelasticity with a view to revealing the effect of subsonic aerodynamic force on the panel structures dynamic behavior and providing some theoretical basis and analytical methods for engineering applications. The main contents are: i) establishing the dynamic equations of subsonic panel aeroelastic systems; ii) developing a unified discretization scheme for the subsonic flow-panel structure coupled vibration system based on the differential quadrature method and seeking the methods of sovling responses; iii) the effect of subsonic aerodynamic force on the panel stabilities and nonlinear response; iv) the stabilities and nonlinear response of subsonic panel aeroelastic systems under random loadings; v) experimental studies of panels in low speed wind tunnel.

列车蒙皮、车窗等壁板结构在高速列车的流线型结构设计中有着广泛的应用。随着列车运行速度的不断提高，这些壁板结构在气流中的流致振动现象也将越明显，并会影响到壁板及列车的安全服役问题。详细了解壁板结构在亚音速气动环境中的动力学行为具有重要的理论意义和良好的工程应用前景。本项目拟从气动弹性力学的角度对亚音速壁板系统的稳定性及非线性复杂响应进行研究，以期揭示亚音速气动力对壁板结构动力特性的影响，为壁板结构在工程中的应用提供理论依据和适用于工程应用的分析方法。本项目拟研究的主要内容为：①亚音速壁板气动弹性系统动力学方程的建立；②基于微分求积法建立亚音速气体-壁板结构耦合振动系统的统一离散化格式及系统响应求解方法的建立；③亚音速气动力对壁板系统稳定性及非线性响应的影响；④随机作用力下的亚音速壁板气动弹性系统稳定性及非线性响应分析；⑤壁板低速风洞模型试验研究。

列车蒙皮等壁板结构在高速列车的流线型结构设计中有着广泛的应用。随着列车运行速度的不断提高，这些壁板结构在气流中的流致振动现象也将越明显，并会影响到壁板及列车的安全服役问题。详细了解壁板结构在亚音速气动环境中的动力学行为具有重要的理论意义和良好的工程应用前景。项目从气动弹性力学的角度对亚音速壁板系统的稳定性及非线性复杂响应进行研究。取得的主要研究成果是：①分别基于级数展开方法及奇异值理论推导了壁板气动力，其中后者适用各种壁板的各种边界条件下；②基于奇异值理论获得的气动力表达式，考虑壁板尾流影响，基于边界元方法及微分求积法建立一套分析壁板失稳的离散分析格式。③应用两类气动力建立二维平/曲及三维平壁板系统气动弹性运动方程，分析系统稳定性，研究了对称性破坏分岔、周期倍化分岔、混沌等复杂动力学响应；④基于庞加莱映射方法研究了系统混沌运动分布的标度特性，揭示了混沌运动及周期运动之间的转换机理；⑤考虑非线性运动约束，采用等效线方法定量及定量分析了系统出现的极限环运动，建立相应的分析模型；⑥设计制作了非线性运动约束及二维亚音速壁板风洞试验模型，从试验角度研究了轴向流壁板的颤振特性，验证了理论模型及分析方法的正确性。