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精品论文 参考文献 浅谈颤振问题研究成果及发展 广州民航职业技术学院 广东 广州 510000 　　摘要:颤振是弹性结构在均匀气流中由于受到气动力、弹性力和惯性力的耦合作用而发生的振幅不衰减的自激振动，它是气动弹性力学中最重要的问题之一。飞行器、高层建筑和桥梁等结构都可能发生颤振。本文主要对颤振问题在国内外的研究工作进行汇总，并且对于颤振的研究方法进行简单介绍。 　　关键词：颤振 实验 数值模拟 经典法 流固耦合法 参数化研究 　　颤振在航空领域并不是一个新问题，它是流体诱发振动的一种，这类振动一旦发作，其振幅不断放大，因而是非稳态的发散振动。由Garrick和Reed（1981）所撰写的综述性文章，描述了飞机颤振现象的历史。国外研究这一类问题的主要机构有GEAE、PW和Rolls-Royce等航空发动机公司， MIT等院校的航空院系，以及其他研究机构。研究手段包括实验和数值模拟，随着CFD技术的发展，数值模拟在研究中所占比重逐步提高。 　　颤振问题研究成果 　　1、实验研究 　　实验数据的严重匮乏是影响叶轮机械气动弹性问题研究进展的主要原因。理想的测量系统应该能够在一定精度范围内准确的测量气动弹性系统的响应，并满足对结构固有特性和流场均无干扰，而事实上这是不可能实现的。叶轮机械内部流动复杂，接触式测量不仅影响流场，而且也会改变结构固有特性（如应变片等）；而非接触式测量，如各种光学测量技术不能保证整个叶高方向的测量范围获得所需数据，间接造成了当今气动弹性问题物理本质仍不为研究人员所深刻了解的局面。颤振实验主要分为两类：自由颤振实验和可控颤振实验 　　公开发表的实验数据中，具有代表性的基本上是可控颤振实验数据。如AGARD报告 NO. 702提供了大量振荡翼型的非定常气动力数据，这些数据为研究人员校核简单的非定常气动力程序提供了依据。对于叶轮机械气动弹性领域的文献资源，有两个重要的资源信息。第一个是两卷的 AGARD 手册，由 Platzer 和 Carta所编辑，其中包含了众多研究人员在各自领域的研究成果。对于叶轮机械气动弹性问题的研究，几乎所有的背景信息都集中在这里。第二个重要的参考资源是 B?lcs 和 Fransson给出的标准算例，至今仍然作为数值方法校验的标准。事实上，工业中一些基本的颤振设计准则，都直接来自于这些成果。Halliwell 等，Srinivasan 和 Cutts， Crawley和Ducharme先后发表了真实发动机或试验件所得的非定常气动力数据，非定常气动力实验数据通常是用非定常压力的形式表示的。Vogt发表了环形叶栅下三维振荡叶片的非定常气动力实验数据，是到目前为止公开发表的最为详细的三维振荡叶片实验数据。三维旋转状态下的实验数据几乎没有报道，原因可能有三：第一，不改变气动弹性系统参数的测量较为困难；第二，颤振状态不允许长时间停留，通常仅有的实验数据也是在颤振发生之前的状态下所得；第三，发动机设计单位和制造商不允许这样的重要数据公开发表。 　　2、数值模拟研究 　　气动弹性方法在叶轮机上的应用发展始于1950s，但经60多年的聚焦和创新研究，仍然没有得到确定的数学方法来获得预测振动稳定性的普适解。一般来说，气动弹性分析可以分为两种：经典法和流固耦合法，前者忽略流体与结构之间的相互作用，后者试图建立流固耦合的模型。 　　1）经典法 　　经典求解方法通常经过对结构和气动模型的适当简化后，忽略流体与结构的耦合关系，从而将结构与流体分开求解。当应用于叶轮机械问题时，由于对流体和结构问题的求解所做简化过多，这种方法的局限性较大，因为有大量的非线性影响和流固耦合包含其中。因此，设计者们开始依靠现有的经验公式和修正后的实验数据。由于经典方法没有考虑流体和结构体间的相互作用，因此它一般只能用来判断颤振是否发作，而无法对结构在流体中的响应过程做出描述。 　　a特征值法 　　特征值法至今在经典颤振稳定性分析中是应用最广泛的。一旦确定气弹力在频域中表述，可以直接进行理论分析，如果开始通过时域计算，则通过傅里叶变换再进行分析。得到的气弹运动方程和结构方程很相似，气动力做功可以体现质量流量或刚度矩阵中，这种情况可以通过迭代得到近似解。系统的稳定性由每个气弹模型的阻尼总和决定。下图是25个算例的叶盘稳定性图谱。X轴是特征值的实部，与频率有关，Y轴是特征值的虚部，在同一气弹模型中表示气动和结构的阻尼总和，很显然该项为负数时结构失稳。 　　 　　图1 特征值法预测颤振稳定性算例结果 　　b能量法 　　能量法从能量输运的角度来判断叶片振动的稳定性，在数值模拟中通过计算叶片在给定运动下的气动阻尼来判断颤振是否发生。在对结构体的动力学特性进行分析后，给定叶片的振动形式，计算一个振动周期内周围的非定常气流对叶片所做的功。假如气流对