氣動彈性分析的案例
CFD學習：氣動彈性顫振分析
作者Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
氣動彈性顫振是作用在飛機上的空氣動力載荷導致其振動或振蕩時的一種現象。
空氣動力載荷和結構變形之間的正反饋回路會導致飛機顫振。
流體-結構相互作用的 CFD 模擬建立了氣動載荷與結構變形之間的關系，以幫助識別潛在的顫振風險。
飛機結構和氣流條件對氣動彈性顫振分析有重大影響
飛機結構在飛行過程中與周圍氣流相互作用時會受到各種空氣動力和力矩。該飛機旨在承受這些動態載荷以保持飛行穩定性。然而，在某些條件下，這些空氣動力載荷會導致飛機振動或擺動，從而引起稱為顫振的現象。
氣動彈性顫振是飛機設計中的一個重要問題，因為它容易導致結構失效。一種緩解策略是氣動彈性顫振分析，它可以提供有關顫振行為的更多詳細信息，并確定確保飛機安全所需的設計變更。
在本文中，讓我們進一步了解顫振的概念以及氣動彈性顫振分析在飛機性能中的重要性。
什么是氣動彈性顫振？
氣動彈性顫振是由于氣動載荷與結構之間的相互作用而在飛行器中發生的高頻振動。當飛機在空中移動時，空氣動力可能導致飛機結構變形。反過來，施加到結構上的空氣動力載荷也會發生變化。可以有兩種類型的更改：
氣動載荷與結構之間的反饋回路相互作用
正反饋回路
結構變形導致氣動載荷增加，進而導致進一步變形，從而進一步增加氣動載荷。
循環一直持續到飛行器達到不受控制的振動或振蕩階段。
展開 無人機氣動彈性與控制綜述
張忠源1，段靜波2，路 平1
(1.陸軍工程大學石家莊校區 無人機工程系，石家莊 050003；2.石家莊鐵道大學 工程力學系，石家莊 050003)
摘要：圍繞無人機靜氣動彈性、柔性無人機的氣動彈性分析、氣動彈性非線性和氣動彈性主動控制幾個方面對無人機氣動彈性研究現狀做了分析總結，闡述了氣動彈性學科分類和相應特點。
關鍵詞：氣動彈性；無人機；穩定性；主動控制
隨著飛行器設計的需要，基于線性理論的三維非定常氣動力的計算成為迫切研究的重點，三維非定常氣動力的計算比二維計算難度要大得多，R Palacios等[7]運用三維歐拉方程建模，實現了空氣動力學和結構力學的詳細的三維表示；Z Sotoudeh[8]對高空長航時柔性無人機進行氣動彈性分析，開發了一套專門應用于此類無人機的計算程序，可以在較短時間內得到氣動彈性分析結果，為柔性無人機設計提供了便捷。D Tang[9]將柔性機翼的氣動彈性分析與風洞試驗相結合，介紹了一種彈性載荷作用下柔性大展弦比翼型氣動彈性模型的理論氣動彈性模型。
近年來無人機由于其有體積小、造價低、使用方便、對作戰環境要求低、戰場生存能力較強等優點，發展迅速(見圖1)。因此更高性能的無人機開始出現，遇到的氣動彈性問題也越來越突出，在進行無人機外形與結構設計時，解決或減少氣動彈性帶來的負面影響，成為了航空工程師們越來越迫切解決的難題。尤其非線性問題，包括無人機結構非線性和空氣動力非線性等，加大了無人機設計時氣動彈性方面的難度。氣動彈性力學需要考慮空氣動力的同時還需考慮材料結構的特性，因此氣動彈性力學是一門具有很高難度和復雜度的交叉科學。
展開 NX Nastran簡介
氣動彈性和顫振分析
? Superelements（超單元）
超單元模塊在求解超大的復雜有限元模型時具有關鍵的作用，它可將大型結構分解為較小的同等子結構集合，這些子結構稱為超單元。該模塊可用于所有NX Nastran 分析功能，在大型的完整系統分析中特別高效，例如整架飛機、車輛或者輪船；同時該模塊可執行增量或者部分裝配求解，大大提高了運算效率。
? Dynamic Response（動力響應）
動力響應模塊可在時間和頻率領域內評價產品性能。結構動力學分析是Nastran的最強項之一,方法有直接積分法和模態法，可考慮各種阻尼 (如結構阻尼、材料阻尼和模態阻尼)效應的作用。主要分析類型有：
1. 頻率響應分析
2. 瞬態響應分析
3. 隨機振動響應分析
4. 沖擊譜響應分析
? Aeroelasticity（氣彈分析）
氣彈分析模塊可預測產品結構性能在風場中的動力穩定性和動態 響應，氣動彈性問題涉及氣動、慣性及結構力間的相互作用，可以進行飛機、導彈、懸索橋、電視發射塔甚至煙囪和高壓線的氣動彈性分析和設計。氣動彈性分析功能主要包括：
1. 靜態及動態氣彈響應分析
2. 結構顫振分析
3. 氣動彈性設計靈敏度和優化
4. 亞音速和超音速分析
? Advanced Nonlinear（高級非線性）
高級非線性模塊集成了世界最先進的ADINA解算技術，包括 隱式求解器Sol 601和顯式求解器Sol 701，支持分析類型包括：
1. 1、材料非線性，例如
-- 墊圈(Gasket)材料、超彈性材料
-- 粘彈性材料、彈塑性材料
2. 幾何非線性，接觸問題，例如面接觸、自接觸等
? Rotor Dynamics（轉子動力學分析）
轉子動力學分析主要解決旋轉機械的動力設計，振動分析，故障診 斷等問題。
展開 基于TSDT與DQM的高階氣動彈性求解器：復合材料變剛度/變厚度非線性顫振分析
針對傳統商業有限元在處理變剛度復合材料（VSCL）與變厚度幾何時存在的網格畸變、計算耗時長、非線性極易發散等痛點，本人開發了一套基于 MATLAB 的高階半解析氣動彈性求解器。
本求解器直接基于連續介質力學方程進行離散，可實現復合材料板殼/懸臂翼面的極速參數掃描與深區非線性分岔追蹤。現分享部分計算結果，并承接相關復雜工況的定制計算與數據圖表輸出。
一、 核心理論框架
結構本構： 采用三階剪切變形理論（TSDT），精準計及蜂窩軟芯等夾層結構的橫向剪切效應，避免一階理論（FSDT）的非保守性誤差。
氣動模型： 基于超聲速一階活塞理論。
數值離散： 采用梯形/任意四邊形域等參映射，結合算子化微分求積法（DQM），以極少的網格節點實現高精度全局離散，徹底消除有限元長寬比災難。
二、 求解器核心功能邊界
復雜特征兼容： 支持曲線纖維變剛度路徑空間分布、支持展向厚度漸縮/雙楔形截面、支持各種經典邊界條件（懸臂、簡支等）。
線性頻域分析： 極速提取復特征值，繪制高分辨率 V-g / V-f 根軌跡圖。支持多約束下的全參數空間顫振邊界尋優。
非線性時域分析（核心優勢）： 基于 von Kármán 大變形假設，采用時域雙軌分岔追蹤法。可穩定提取極限環振蕩（LCO）幅值分岔拓撲。
深區高維相空間分析： 支持深度超臨界區的高次諧波 FFT 分析、繪制龐加萊截面、捕捉吸引盆分裂與模態躍遷。
三、 業務對接
本求解器運行效率極高，單工況特征值提取僅需數秒。
如果您課題組遇到商業軟件不收斂、或者急需底層數據支撐機理分析，歡迎私信聯系。
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MSC特檢行業應用案例（下篇）
升降舞臺幾何模型圖
移動舞臺結構強度
移動舞臺位移云圖及分量位移云圖
上海建設路橋機械設備有限公司液壓支架底座強度分析
應用MSC Nastran對煤礦用液壓支架結構進行了靜強度分析，通過分析，明確液壓支架應力分布情況及薄弱環節，對改進的支架底座的結構設計提供參考依據。
液壓支架有限元模型及應力結果
煤炭機械部件支架強度分析
推土機工作結構強度分析
MSC橋梁工程成功案例
Gerald Desmond橋
該橋聯接了長灘和洛杉磯港，利用MSC Nastran對橋梁進行靜力學、模態、譜響應、頻率響應分析，采用非線性間隙元，考慮地震后的修復。
日本Tacoma Narrows斜拉橋
利用MSC Nastran氣動彈性分析模塊，對大跨度橋梁及超高層建筑進行氣動彈性分析，分析因為風載引起的剛度問題，氣動力不穩定現象，如渦流、顫振等。
大橋在真空下的模態
斜拉橋顫振分析
南昌有色冶金設計研究院某人行天橋的結構分析
人行天橋進行了結構細化模擬，考慮了橋面支撐鋼管梁結構和鋼管梁端部真實約束支持，得到較為合理的結構內力，并通過模態分析計算天橋的固有頻率。
MSC地下管道成功案例
地下管系抗震分析
地震引起的外力
-隨時間變化的地震波
-地基變形
-地基開裂
-地基下沉
-測流（Side Flow）
-分析地震載荷如何到達關系
地下管系分析專家系統
-地震載荷按位移處理
分析結果
地下管系的流固耦合分析
地下管道穩定性
Colombia的Guavio水壩項目中引水管結構的完整性分析，6.5米直徑的鋼管埋入水庫河床附近的水泥墩中。
展開 NX NASTRAN 介紹
該模塊可用于所有NX Nastran 分析功能，在大型的完整系統分析中特別高效，例如整架飛機、車輛或者輪船；同時該模塊可執行增量或者部分裝配求解，大大提高了運算效率。
Dynamic Response（動力響應）
動力響應模塊可在時間和頻率領域內評價產品性能。結構動力學分析是Nastran的最強項之一,方法有直接積分法和模態法，可考慮各種阻尼 (如結構阻尼、材料阻尼和模態阻尼)效應的作用。主要分析類型有：
頻率響應分析
瞬態響應分析
隨機振動響應分析
沖擊譜響應分析
Aeroelasticity（氣彈分析）
氣彈分析模塊可預測產品結構性能在風場中的動力穩定性和動態 響應，氣動彈性問題涉及氣動、慣性及結構力間的相互作用，可以進行飛機、導彈、懸索橋、電視發射塔甚至煙囪和高壓線的氣動彈性分析和設計。氣動彈性分析功能主要包括：
靜態及動態氣彈響應分析
結構顫振分析
氣動彈性設計靈敏度和優化
亞音速和超音速分析
Advanced Nonlinear（高級非線性）
高級非線性模塊集成了世界最先進的ADINA解算技術，包括 隱式求解器Sol 601和顯式求解器Sol 701，支持分析類型包括：
材料非線性，例如
-- 墊圈(Gasket)材料、超彈性材料
-- 粘彈性材料、彈塑性材料
幾何非線性，接觸問題，例如面接觸、自接觸等
Rotor Dynamics（轉子動力學分析）
轉子動力學分析主要解決旋轉機械的動力設計，振動分析，故障診 斷等問題。它的主要任務是：預計臨界轉速，預計轉子不平衡引起的同 步振動響應，預計開始失穩的門坎轉速以及轉子在加速或減速過程中的 瞬態響應。NX Nastran轉子動力學是基于SOL110(復模態)實現的，支 持非對稱轉子分析,可以分析航空發動機、壓縮機、離心機、汽輪機、渦輪機和泵等旋轉機械轉子系統的陀螺力矩和動力學特性。
展開 案例分享 | 氣動彈性協同仿真飛行載荷工具包
作為公認的飛機載荷、流體動力學及氣動彈性領域的領先專業廠家，斯特林動力公司已通過全球航空航天質量標準 AS9100 認證，并且是 ITAR（國際武器貿易條例）管制委員會的成員。
簡介
作為英國 NATEP（國家航空航天技術計劃）倡議的一部分，斯特林動力公司與 MSC軟件（英國）合作開發出一種用于飛機載荷的非線性氣動彈性工具包（參考文獻 1），并由最終用戶 BAE Systems 提供支持。通常會采用線性飛機模型來進行飛機載荷評估（例如陣風和機動載荷），但只將其視為一種可接受的分析手段，其中包括用非線性項改進建模精度和可靠性。通常只有那些定制開發出自有工具包的大型航空航天 OEM 廠家才擁有非線性氣動彈性解決方案。目前大多數飛機公司（兩家最大的 OEM 廠家除外）在進行處理時均基于線性假設，并已被認證機構認可作為飛機設計過程中生成陣風和機動載荷的合規手段。
由于通常認為線性模型過于保守，因此會使較小的 OEM 廠家處于不利地位。斯特林動力公司的項目目標是開發自己的內部工具包。與此同時，作為同一計劃的一部分，MSC 軟件（英國）的工具開發目的是開發商用產品。后面幾節將對 MSC 的開發工作進行詳細說明。
MSC 軟件協同仿真 CFD—FEA 組合
氣動彈性 CFD 機動工具包的主要特點在于它基于廣泛使用的 MSC Nastran 來進行有限元結構分析，采用 Cradle 的 scFLOW 處理計算流體動力學，輸入則由最終用戶 BAE Systems 提供。該工具可提高非線性氣動彈性效應的逼真度，這種效應會影響飛機在廣泛的實驗設計（DoE）設計空間中所承受的載荷。
展開 nastran氣動彈性V68幫助
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『轉貼』MSC.NASTRAN的分析功能簡介
作為世界CAE 工業標準及最流行的大型通用結構有限元分析軟件, MSC.NASTRAN 的分析功能覆蓋了絕大多數工程應用領域， 并為用戶提供了方便的模塊化功能選項，MSC.NASTRAN 的 主要功能模塊有:基本分析模塊(含靜力、 模態、 屈曲、熱應力、流固耦合及數據庫管理等)。 動力學分析模塊、 熱傳導模塊、 非線性分析模塊、 設計靈敏度分析及優化模塊、 超單元分析模塊、 氣動彈性分析模塊、 DMAP 用戶開發工具模塊及高級對稱分析模塊。本文對以上模塊的功能進行了簡單的介紹。
MSC.NASTRAN的分析功能.pdf
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（ 氣動彈性 / flightload / flutter ）氣彈模型spline樣條
對于結構模型是三維機翼，那氣動網格也是畫成二維的嗎？ 那這個二維網格的平面位置應該以上翼面為
準呢，還是以下翼面為準呢？
結構網格表面是曲面，氣動網格是平面，怎么用spline樣條呢？
求高人指點。謝謝了
（ 氣動彈性 / flightload / flutter ）氣彈模型spline樣條
對于結構模型是三維機翼，那氣動網格也是畫成二維的嗎？ 那這個二維網格的平面位置應該以上翼面為
準呢，還是以下翼面為準呢？
結構網格表面是曲面，氣動網格是平面，怎么用spline樣條呢？
求高人指點。謝謝了
NASA完成被動氣動彈性剪裁機翼第一階段載荷試驗
據NASA網站2018年9月27日報道，被動氣動彈性剪裁（PAT）機翼已在NASA阿姆斯特朗飛行研究中心完成了第一階段載荷試驗，使用專門設計的高展弦比、輕質機翼試驗模型，進行了兩組結構試驗，從而驗證了新的機翼設計和制造方法。
NASA“先進航空運輸技術”計劃技術負責人、弗吉尼亞州NASA蘭利研究中心的凱倫·塔明格（Karen Taminger）解釋說，被動氣動彈性剪裁（PAT）機翼展長更大、更薄，從而可以最大限度地提高結構效率、減輕重量并提高燃油效率。塔明格說：“這是第一次制造具有如此復雜度的牽引式復合材料機翼。機翼展長39英尺，試驗模型的尺寸是真實機翼的27％，預計試驗中翼尖將產生6到8英尺的位移或彎曲。由于阻力和重量的減少，機翼效率也將高于傳統機翼。”牽引轉向復合材料技術是一種碳纖維鋪設方式，可用于制造機翼蒙皮，通過結構設計被動地控制機翼顫振或振動、減緩陣風載荷的影響，提高乘客舒適度。
第一階段試驗已于2018年9月17日在位于加利福尼亞州的阿姆斯特朗飛行研究中心結束，PAT機翼技術人員在試驗模型中安裝了11000個傳感器，阿姆斯特朗飛行負載實驗室首席測試工程師拉里·哈德遜（Larry Hudson）稱其為“測試過的儀器化程度最高的機翼”。此次試驗，解決了試驗夾具、方法和儀器等多方面的難題。
工作人員正在進行被動氣動彈性剪裁機翼試驗準備工作。
按照塔明格所說，因為安裝了大量的傳感器，模型具有很強的試驗能力，有助于驗證結構具有以往不具備的性能。
展開 NASA被動氣動彈性剪裁機翼完成第二輪載荷試驗
因為不確定蒙皮對機翼整體變形會帶來什么樣的影響，所以我們在試驗機翼上安裝了如此多的監測儀器，這樣我們就可以通過對大量試驗數據的分析，來量化試驗中觀察到的現象。”
02
被動氣動彈性剪裁（PAT）機翼在最高試驗載荷下的彎曲狀態。
在10月開展的第二輪載荷試驗初期，發現機翼具有比預想更好的變形性能，因此，團隊對試驗參數進行了一些修改。
試驗中一個令人驚喜的意外收獲是，絲束牽引技術使得翼尖向前緣偏轉。從氣動角度來看，將載荷轉移到機翼結構較厚部位，有利于被動地減輕陣風載荷的影響。
03
工作人員在監測被動氣動彈性彈性（PAT）機翼的測試過程。
米明格希望盡快將機翼由當前約30%縮比擴大到全尺寸，以便從商業運輸的角度評估其優勢。最終，使用PAT機翼可以節省的燃料量將決定其最終的價值，一般而言，增加機翼展長也會帶來結構重量的增加，但絲束牽引技術可以讓機翼獲得減阻和減重的綜合效益，從而轉化為燃油效率的優勢。
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