读书报告--气动弹性与气动热弹性研究进展

气动弹性结构的优化设计与仿真研究随着科技的发展和人们对生活质量的不断追求，气动弹性结构的研究和发展越来越受到人们的关注。

气动弹性结构是指利用气流与结构本身内部的弹性力相互作用，以实现某种特定功能的结构。

气动弹性结构具有轻量化、高效化、可控性等优点，因此在航天、民用飞机、船舶、汽车等领域都有着极其广泛的应用。

在这篇文章中，我们将讨论气动弹性结构的优化设计和仿真研究。

1.气动弹性结构的基本原理气动弹性结构的核心原理是利用气流对结构产生作用力，从而对结构进行运动和变形控制。

气动弹性结构中的气动力包括气压力和气动力矩，而弹性力主要指结构内部的弹性力。

在气动弹性结构中，气动力和弹性力之间的相互作用是非常重要的，它们共同决定了结构的运动和变形。

2.气动弹性结构的优化设计气动弹性结构的优化设计是指在实际应用中对结构进行调整和改进，从而提高其效率和性能。

气动弹性结构的优化设计需考虑到气动力和弹性力的相互作用、结构的几何形状、材料力学性质等多个因素。

其中，最为关键的是对结构形状的优化设计。

结构的形状设计应基于气动原理和结构弹性力学原理，以实现所需的性能和效果。

因此，在进行气动弹性结构优化设计时，应首先进行结构形状设计的优化。

3.气动弹性结构的仿真研究为了更好地研究气动弹性结构的运动和变形，仿真技术是不可或缺的工具。

仿真研究可以通过计算力学、数值模拟等手段对结构的运动和变形进行模拟和预测，从而得到结构的性能和效果。

在气动弹性结构的仿真研究中，应首先进行结构的数学建模，然后使用相应的仿真软件进行模拟。

仿真研究可以直观地展现结构的运动和变形，并且可以帮助设计人员寻找最优设计方案。

4.气动弹性结构的应用前景和挑战气动弹性结构的应用前景非常广阔，已经在许多领域得到了成功的应用。

例如，在航空航天领域，气动弹性结构可以改善控制表现和大幅度减轻结构重量；在汽车行业，气动弹性结构可以改善汽车性能和燃油经济性。

但与此同时，气动弹性结构的应用也面临着许多挑战。

飞行器气动弹性力学研究随着人类科技的不断发展，飞行器在我们日常生活中扮演着越来越重要的角色。

然而，飞行器运行过程中所受到的气动弹性力学效应却给工程师们带来了极大的挑战。

针对这个问题，工程师们通过气动弹性力学研究，不断优化设计，实现了飞行器的日益完善。

气动弹性力学是研究飞行器表面受到气流冲击时发生变形或振动的现象和规律，包括弦向弯曲和扭转，梁向弯曲和扭曲，以及壳体的撑振和板壳弯曲等方面。

它是飞行器结构强度及振动问题的基础，对飞行器的安全性和自动控制性能有重要影响。

飞行器在飞行过程中，常常会面临复杂多变的气流环境，如高速气流、气流湍流、横向风等，这些气流将对飞行器的表面形成复杂的气动力分布，而这些气动力分布又将对飞行器的结构产生复杂的应力。

若飞行器的强度设计不足或结构刚度不足，以上的气动弹性效应将会引起飞行器的不稳定、飞行方向偏移、结构破坏等严重后果，这对于飞行器的生存和工作都是不可承受的。

气动弹性力学研究是对飞行器进行优化设计的关键。

飞行器的设计从初期的气动计算到最后的翻滚试验，都需要气动弹性力学的支持。

设计师们提出的各种模型在计算过程中需要不断优化，调整和创新。

计算机模拟气动弹性力学的方法为飞行器结构气动力学的计算、仿真和优化提供了方便。

基于气动弹性力学的正向反向传递方法、流固耦合方法和计算流体动力学等，为飞行器的设计带来了更多的选择和挑战。

对于大型飞行器，气动弹性力学分析的难点主要体现在飞行器在低速情况下所受到的气动弹性影响。

例如，大型客机从状态“悬停摆荡”，过渡到正常飞行，存在极大的困难。

因此，设计师们大部分时间都是花费在了优化低速情况下的气动弹性力学问题上。

除此之外，由于发动机的存在，飞机表面还要承受一定的热效应，而这些热效应也会影响气动力的分布，进一步影响飞行器的气动弹性力学效应。

由于发动机喷气口的高温喷气对飞行器表面有着极大的热效应，工程师们则会通过热膨胀和材料蠕变等热气动力学效应来分析和优化飞行器表面的设计。

第35卷第2期2022年4月振动工程学报Journal of Vibration EngineeringVol.35No.2Apr.2022高超声速气动热弹性分析降阶研究晏筱璇1，2，韩景龙3，马瑞群3（1.上海航天控制技术研究所，上海201109；2.上海市空间智能控制技术重点实验室，上海201109；3.南京航空航天大学航空学院机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏南京210016）摘要:高超声速气动热弹性分析涉及流场、结构场和热力场间的相互耦合，计算复杂且耗时长。

根据分层求解策略提出了一种基于降阶模型的高超声速气动热弹性分析框架。

分别采用系统辨识法和本征正交分解法对高超声速气动力和气动热建立降阶模型，并与模态叠加法耦合实现热配平状态下气动热弹性问题的快速计算。

以典型高超声速三维机翼为例，预测热结构的颤振动压，并与全阶流⁃固⁃热耦合计算结果对比吻合较好。

所提出的气动热弹性分析框架提高了计算效率，而且精度高，可应用于工程分析中。

关键词:气动热弹性；颤振；高超声速；耦合；降阶模型中图分类号:V215.3文献标志码:A文章编号:1004-4523（2022）02-0475-12DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2022.02.023引言气动热弹性是一个复杂的涉及到多学科相互耦合的问题，依据现有的计算条件，采用高精度方法完全求解该问题是非常困难的。

文献［1⁃2］在忽略气动热、气动力、弹性力与惯性力之间的弱耦合关系后，进一步简化该问题，提出了一种分层求解方法。

该方法先计算定常气动热，认为非定常气动力不会对气动热产生影响，此外也忽略了结构变形对气动热的作用。

本文基于分层求解方法进行气动热弹性建模，由于采用CFD求解气动热和气动力仍然耗时较长，故考虑了通过构造气动热和气动力降阶模型（ROM）来进一步缩短计算时间。

对于气动力降阶模型本文采用基于系统辨识技术的降阶方法。

目前常用的非定常气动力辨识方法主要为Volterra模型［3］、神经网络模型［4］以及NAR⁃MAX（Nonlinear Auto Regressive Moving Average with Exogenous Input）模型。

空气动力学及气动弹性研究第一章：简介空气动力学及气动弹性研究是航空航天工程中的重要领域。

它研究空气对飞行器的力学特性以及飞行器在空气流动中的应力和变形情况。

本文将从理论基础、应用领域和研究方法三个方面进行探讨。

第二章：空气动力学基础空气动力学是一门研究空气流动以及物体在空气中运动时受到的力学作用的学科。

它基于流体力学和固体力学的理论基础，通过数学和实验方法来分析和预测物体受力情况。

空气动力学中的重要概念包括气动力、升力、阻力和力矩等。

气动力是空气对物体施加的力，而升力是垂直于运动方向的气动力，阻力则与运动方向相反。

力矩则决定了物体在空气中的旋转性能。

第三章：气动弹性基础气动弹性是指物体在空气动力作用下的振动和变形行为。

当飞行器在高速飞行或受到外部扰动时，其结构会发生弹性变形。

气动弹性研究主要关注飞行器结构的振动特性、变形情况以及这些因素对飞行性能的影响。

通过对气动弹性的研究，可以改进飞行器的设计，提高其稳定性和安全性。

第四章：应用领域空气动力学及气动弹性研究在航空航天工程中有广泛的应用。

其中之一是飞行器设计和性能优化。

通过研究空气动力学，设计师可以优化飞行器的外形和气动布局，减小阻力，提高飞行效率。

在飞行器结构设计中，气动弹性研究可以预测并避免由振动和变形而引起的结构失效。

此外，空气动力学及气动弹性也在空气动力学仿真、气动弹性控制等领域有着广泛的应用。

第五章：研究方法研究空气动力学及气动弹性的方法包括实验、数值模拟和理论分析。

实验方法主要是通过模型试验和风洞试验来测量气动力和研究飞行器的振动和变形行为。

数值模拟使用计算流体力学和有限元分析等数值方法，通过计算机模拟来预测空气动力学和气动弹性结果。

理论分析则基于空气动力学和结构力学的理论，通过推导和计算来研究问题。

结论空气动力学及气动弹性研究是航空航天工程中不可或缺的领域。

它为飞行器设计和性能优化提供了重要的理论和方法支持，也为改进飞行器的稳定性和安全性提供了指导。

飞行器气动热管理技术研究进展随着航空航天技术的不断发展，飞行器的速度和性能不断提升，气动热问题变得日益突出。

气动热管理技术作为保障飞行器安全、可靠运行的关键技术之一，近年来取得了显著的研究进展。

飞行器在高速飞行时，由于与空气的剧烈摩擦，表面会产生大量的热量。

这些热量如果不能得到有效管理和控制，将会对飞行器的结构强度、电子设备性能、燃料系统等造成严重影响。

因此，开展高效的气动热管理技术研究具有重要的意义。

在热防护材料方面，新型耐高温材料的研发取得了重要突破。

传统的热防护材料如陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料等在性能上不断优化，同时，一些具有更高性能的新型材料也逐渐崭露头角。

例如，超高温陶瓷材料具有出色的耐高温性能和抗氧化性能，能够在极端高温环境下保持稳定。

金属间化合物材料则具有良好的高温强度和韧性，为飞行器热防护提供了更多的选择。

主动冷却技术也得到了广泛的研究和应用。

主动冷却系统通过循环冷却介质，将飞行器表面的热量带走，从而有效地降低温度。

其中，发汗冷却技术是一种具有潜力的主动冷却方法。

它通过在材料表面设置微小的孔隙，使冷却介质能够渗出并形成一层冷却膜，从而实现高效的热防护。

冲击冷却技术则通过将冷却介质以高速喷射的方式冲击飞行器表面，增强冷却效果。

在热流数值模拟方面，计算流体力学（CFD）技术的发展使得对飞行器气动热环境的预测更加准确。

通过建立精确的数学模型和物理模型，结合高性能计算平台，可以对复杂的飞行器外形和飞行条件下的热流分布进行详细的模拟和分析。

这有助于在飞行器设计阶段就能够优化热防护结构和冷却系统，提高设计效率和可靠性。

另外，多学科优化设计方法在飞行器气动热管理中发挥了重要作用。

将气动学、热学、结构力学等多个学科的知识和要求进行综合考虑，通过优化算法寻找最优的设计方案。

这样可以在满足飞行器性能要求的前提下，实现热管理系统的轻量化和高效化。

在实验研究方面，风洞实验技术不断改进和创新。

高超声速风洞能够模拟飞行器在高速飞行时的真实气动热环境，为研究热防护技术和验证数值模拟结果提供了重要的实验手段。

机械气动弹性性能分析在机械工程领域中，机械的性能分析一直是一个重要的研究课题。

而在众多的机械性能中，气动弹性性能的研究也显得尤为重要。

本文将详细探讨机械气动弹性性能的分析方法和应用。

一、机械气动弹性性能的定义与影响因素机械气动弹性性能指的是机械在受到气体流动作用下发生弹性变形的能力。

这种性能的研究对于飞机、车辆、通用设备等领域具有很大的实际意义。

机械的气动弹性性能受到多种因素的影响，包括材料特性、结构形式、气流特性等。

材料特性是机械气动弹性性能的基本要素之一。

不同材料的弹性模量、屈服强度和抗震裂性能都会直接影响机械在气动力作用下的弹性变形情况。

例如，高强度金属材料在气动流动作用下具有较好的抗弯刚度和刚性，能够有效降低机械在高速运动中的振动和变形程度。

结构形式也是机械气动弹性性能的重要因素。

不同结构形式的机械在气体流动下的弹性变形行为存在差异。

比如，飞机机翼的变形行为与机身的变形行为有所不同，这是由于机翼的结构形式与机身的结构形式存在差异所致。

因此，在机械设计和优化的过程中，结构形式的选择和优化对机械的气动弹性性能有着直接而重要的影响。

气流特性是机械气动弹性性能的主要外部因素。

气流的速度、密度、流向和湍流程度等参数都会对机械的弹性变形产生影响。

例如，高速气流的作用下机械的振动频率会增加，变形幅度会增大，因此需要采取相应的气动弹性控制措施。

二、机械气动弹性性能的分析方法1. 理论分析方法机械气动弹性性能的理论分析是研究机械弹性变形行为的重要手段之一。

通过建立合理的物理模型和力学模型，可以对机械在气体流动下的弹性变形进行定量预测和分析。

常用的理论方法包括有限元方法、边界元方法、声学弹性方法等。

这些方法能够在满足一定假设条件的前提下，对机械的气动弹性性能进行计算和仿真，为机械设计和优化提供重要的工具和依据。

2. 实验测试方法实验测试是验证机械气动弹性性能理论分析结果的重要手段。

通过搭建特定的实验平台，将机械暴露在气体流动环境中，可以对机械的振动、变形等性能进行直接观测和测试。

气动弹性机械原理及其应用研究近年来，随着工业生产的不断发展和科学技术的不断进步，气动弹性机械在机械制造和工业机械化方面得到了广泛的应用。

气动弹性机械作为机械制造中最重要的一种机械，具有很多优点，例如能耗少、产能高、效率高、成本低、易于维护等等。

因此，研究气动弹性机械的原理和应用，对于促进机械制造业的发展和提高工业生产的效率具有重要的意义。

一、气动弹性机械的原理气动弹性机械是一种基于气体压缩能量转化为机械能的原理，利用气体的压缩性能和机械弹性的特性进行能量转换的一种机械。

气动弹性机械的原理是通过将压缩空气传输到气动元件中，将其变形产生弹性，达到增加产量、降低成本、提高效率的目的。

其主要包括气动弹簧和气动缸两种形式。

（一）气动弹簧的原理气动弹簧是一种利用气体压缩能量转化为机械能的装置，它主要由气动弹簧筒、气动弹簧封头、密封圈、调节装置等组成。

其原理是将压缩空气通过气管送入气动弹簧内，使气体受到压缩，从而使气体弹性变形，从而达到产生弹簧力的效果，最终达到增加产量的目的。

（二）气动缸的原理气动缸是一种基于气体压缩能量转化为机械能的装置。

它主要包括缸体、活塞、密封圈、进气口、排气口等组成。

其工作原理是将压缩空气通过进气口进入气动缸内，使活塞受到气压的作用发生运动，在活塞往复运动的过程中，将气体转化为机械能，从而达到增加产量、提高效率的目的。

二、气动弹性机械的应用气动弹性机械在工业机械化和机械制造领域得到广泛的应用。

其主要应用于液体输送、气体输送、传动机构的运作等方面。

（一）液体输送气动弹簧在液体输送方面的应用非常广泛，其主要应用于管道泵站、水处理设备、清洗和雾化设备等方面。

因为气动弹簧具有体积小、质量轻、噪音低、维护简单等特点，因此在液体输送中具有非常大的优势。

（二）气体输送气动弹性机械在气体输送方面的应用也非常广泛，其主要应用于空气压缩机、铲车、挖掘机等设备的配置中。

因为气动弹性机械具有快速、可靠、安全、易于维护等特点，因此在气体输送中具有较大的优势。

航空航天领域中气动弹性力学与控制研究随着科学技术的不断发展，航空航天领域的研究也越发广泛而深入。

气动弹性力学与控制是航空航天领域中一个重要的研究方向，它关注的是飞行器在高速飞行中所面临的内外环境的变化和挑战，以及针对这些变化和挑战所需要的创新解决方案。

首先，让我们来了解一下什么是气动弹性力学。

气动弹性力学是研究飞行器在飞行过程中受到的气动力和结构弹性力相互作用的学科。

在飞行过程中，飞行器所承受的气动载荷会影响到其结构的变形和应力分布，而结构的变形和应力分布又会影响到气动流场，形成一个相互作用的动态过程。

气动弹性力学的研究旨在深入理解这种相互作用，以提高飞行器的飞行性能和安全性。

气动弹性力学与控制的研究内容非常丰富多样，其中包括气动弹性模态分析、气动弹性阻尼与控制、气动弹性不稳定性分析和控制等多个方面。

首先，气动弹性模态分析是气动弹性力学研究的基础。

它通过分析飞行器结构在受到气动载荷时的模态特性，如固有频率、模态形状等，来评估其受力和稳定性。

这种分析可以为飞行器设计提供重要的参考依据，以避免和抑制可能的失稳和振动问题。

其次，气动弹性阻尼与控制是保证飞行器稳定性的关键。

在高速飞行中，飞行器受到气动载荷的作用会引起结构的振动，而这些振动有可能会导致结构的破坏和飞行器的失效。

因此，研究如何通过控制飞行器的气动弹性阻尼，来抑制结构振动，保持飞行器的稳定性是非常重要的。

在实际应用中，可以通过改变结构的刚度和阻尼特性，设计合适的控制系统来实现气动弹性阻尼与控制。

此外，气动弹性不稳定性分析和控制也是航空航天领域中研究的重要方向。

不稳定性会给飞行器带来很大的风险，因此对于飞行器的不稳定性进行深入分析，并通过设计相应的控制策略来控制不稳定性是非常关键的。

研究人员利用数值模拟和实验等手段，对不稳定性机理进行研究，并开发出相应的控制技术，以提高飞行器的稳定性和安全性。

总的来说，航空航天领域中气动弹性力学与控制的研究是为了解决在高速飞行中飞行器受到的气动力和结构弹性力相互作用所带来的问题。

武器系统 本文2000-04-07收到,作者系中国航天机电集团公司三院三部研究员图1　气动伺服弹性力学三角形国外飞行器气动伺服弹性研究概况陈　文　俊 摘　要　简述了下列问题:结构固有振动和非定常气动力计算方法;气动伺服弹性建模及模型简化;气动伺服弹性分析方法和计算机程序;结构/控制一体化设计;气动加热对气动伺服弹性不利影响;气动伺服弹性分析和设计技术的应用情况。

主题词　气动伺服弹性力学气动伺服热弹性力学 结构/控制一体化设计概　述气动伺服弹性力学主要是研究飞行器在弹性力、惯性力、空气动力和控制力(乃至热力)的作用下所引发的各种力学现象的一门综合性学科。

也可概括地说,气动伺服弹性力学是结构动力学、非定常空气动力学和自动控制系统动力学三者的交叉科学(见图1)。

气动伺服弹性力学现象十分广泛,基本上可归结为两类问题,即稳定性问题(如颤振和发散)和响应问题(如抖振和突风响应)。

它们影响飞行器的疲劳寿命、乘坐品质和有效载荷,特别是不稳定现象降低了机动性,限制了飞行包络,甚至会导致灾难性事故。

随着飞行速度的提高和智能材料的开发,气动伺服弹性力学势必面临更严峻的挑战。

气动伺服弹性力学已经成为国际上的热门研究课题。

气动伺服弹性研究是随着人类航空航天活动和飞行器的发展而不断进化的。

在结构分析方面,由简单梁理论发展为复杂的有限元分析;空气动力理论则由片条、活塞和准定常理论进化为完全非定常升力面理论;控制系统分析亦由单变量输入/单变量输出系统的频域乃氏稳定性判断扩大到多变量输入/多变量输出系统的状态空间鲁棒性估计;智能材料正在与复合材料相结合;结构/控制一体化设计必将取代结构和控制设计分别进行的传统做法。

1　结构分析和非定常空气动力计算1.1　结构固有振动分析结构的模态参数(固有频率、固有振型、广义刚度、广义质量和阻尼系数)是气动伺服弹性分析的原始数据。

对于细长机(弹)身和大展弦比升力面,可用梁模拟其变形形态,并用Rayleig h -Ritz 能量法计算其固有振动特性;对于小展弦比复杂结构升力面,则通常采用有限元建模,并用子空间迭代法、兰佐斯法、吉文斯-豪斯霍德法求解矩阵特征值问题。