顫振
關(guān)注創(chuàng)建者：兵荒馬亂 創(chuàng)建時(shí)間：2021-03-27
顫振的視頻教程
WorkBench單圓管雙向3D流固耦合分析（考慮結(jié)構(gòu)變形）-(未錄聲音)-（附wb案例文件）
本案例以最具代表性的細(xì)長(zhǎng)圓管為例，分析在流體力的激勵(lì)下，往復(fù)顫振的效果，并考慮固體圓管的變形。 流體介質(zhì)為水，圓管材料為鋼。之前發(fā)布過(guò)一個(gè)原創(chuàng)案例，為了更好的了解詳細(xì)的設(shè)置過(guò)程，對(duì)此案例進(jìn)行了整個(gè)過(guò)程錄屏。
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顫振的實(shí)例教程
顯然，機(jī)翼重心位于剛心之后而因慣性力產(chǎn)生的機(jī)翼扭轉(zhuǎn)及氣動(dòng)激振力是造成彎曲/扭轉(zhuǎn)顫振的根本原因，因此增加配重使重心前移是抑制機(jī)翼彎曲/扭轉(zhuǎn)（提高顫振臨界速度）的有效措施。配重宜布置在翼端前緣，這是因?yàn)橐矶说膹澢鷵隙却?，配重在這里能夠獲得最大的效率。蜻蜓翅端前緣的翅痣實(shí)際上就是通過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化而形成的防止彎扭顫振的配重。提高機(jī)翼剛度也能抑制機(jī)翼彎扭顫振的提前發(fā)生，例如單塊式機(jī)翼的剛度比梁式機(jī)翼大幅度提高，從而提高了飛機(jī)的顫振臨界速度。在現(xiàn)代飛機(jī)上還經(jīng)常采用人工阻尼器，更為先進(jìn)的則采用顫振主動(dòng)控制技術(shù)提高顫振臨界速度。
另外在機(jī)翼上安裝發(fā)動(dòng)機(jī)并將發(fā)動(dòng)機(jī)短艙吊架盡量布置在翼弦前部，也能起到有效抑制彎扭顫振的作用。采用大后掠角、大根捎比的后掠翼和三角翼，它們?cè)诎l(fā)生彎曲變形時(shí)引起順氣流翼剖面的迎角減小，減小了振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的附加的氣動(dòng)力，因此也有利于抑制顫振的提前發(fā)生。
圖5是美國(guó)塔科馬大橋在卡門(mén)渦街誘發(fā)下產(chǎn)生的彎曲/扭轉(zhuǎn)顫振及其破壞情況。據(jù)調(diào)查大橋設(shè)計(jì)師為降低成本使設(shè)計(jì)和建造的橋梁厚度降低、剛度不足，這是造成事故的結(jié)構(gòu)原因?，F(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)中主要采用三種技術(shù)措施解決橋梁顫振問(wèn)題：結(jié)構(gòu)措施—提高橋梁結(jié)構(gòu)剛度，機(jī)械措施—加裝人工阻尼器，氣動(dòng)措施—優(yōu)化或改善氣動(dòng)外形。
圖5. 美國(guó)塔科馬大橋因彎曲扭轉(zhuǎn)顫振而破壞
4. 機(jī)翼彎曲/舵面偏轉(zhuǎn)顫振機(jī)理及其抑制
圖6是彎曲/舵面偏轉(zhuǎn)顫振原理圖[2]，這里假設(shè)機(jī)翼和舵面本身均無(wú)扭轉(zhuǎn)變形，僅存在隨機(jī)翼彎曲而產(chǎn)生的舵面偏轉(zhuǎn)。圖中叉號(hào)是舵面轉(zhuǎn)軸，黑點(diǎn)是舵面重心。
圖6. 彎曲/舵面偏轉(zhuǎn)顫振原理
假設(shè)擾動(dòng)前翼剖面位于位置2，擾動(dòng)去除后其位于位置0，此后翼剖面在機(jī)翼彈性力作用下向上運(yùn)動(dòng)（位置0-4）。
展開(kāi) 在某些情況下，渦流脫落還會(huì)引起不穩(wěn)定的負(fù)載，從而導(dǎo)致正反饋回路引起顫振。
負(fù)反饋循環(huán)
結(jié)構(gòu)變形降低了氣動(dòng)載荷，進(jìn)一步減小了變形并導(dǎo)致氣動(dòng)載荷降低，等等。
循環(huán)一直持續(xù)到飛機(jī)達(dá)到穩(wěn)定和控制為止。
氣動(dòng)彈性顫振是由于正反饋回路而產(chǎn)生的，使飛行器陷入自激振動(dòng)的循環(huán)。隨著每個(gè)循環(huán)的振動(dòng)幅度增加，結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險(xiǎn)增加。這是由于振動(dòng)幅度超過(guò)結(jié)構(gòu)限制的風(fēng)險(xiǎn)。
根據(jù)飛機(jī)的幾何形狀和氣流條件，顫振可能會(huì)以不同的速度發(fā)生，這使其成為一個(gè)主要的安全問(wèn)題。因此，氣動(dòng)彈性顫振分析在設(shè)計(jì)階段至關(guān)重要，可以預(yù)測(cè)產(chǎn)生的載荷和避免顫振問(wèn)題所需的結(jié)構(gòu)完整性。
氣動(dòng)彈性顫振分析：確定影響因素
氣動(dòng)彈性顫振分析側(cè)重于預(yù)測(cè)和分析飛機(jī)的顫振行為及其對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響。影響包括空氣動(dòng)力載荷增加、飛機(jī)失控風(fēng)險(xiǎn)增加以及空氣動(dòng)力效率降低等問(wèn)題。各種分析、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)方法或它們的組合可用于在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行氣動(dòng)彈性顫振分析，以獲得準(zhǔn)確可靠的結(jié)果。
顫振分析需要識(shí)別一些關(guān)鍵組件。
顫振速度
顫振速度是振動(dòng)的固有頻率與空氣動(dòng)力載荷的頻率相等時(shí)空速的量度。這些頻率可以在不同的速度下識(shí)別，用于不同空氣動(dòng)力學(xué)模型的顫振分析。該分析有助于確定易受顫振影響的理想飛機(jī)設(shè)計(jì)。否則，模型和仿真可用于確定優(yōu)化策略，以防止顫振并提高飛機(jī)安全性。
顫動(dòng)模式
不同的顫振模式或振動(dòng)模式會(huì)影響飛機(jī)的顫振體驗(yàn)。
展開(kāi) 隨著對(duì)葉輪機(jī)械產(chǎn)品性能要求的提高，葉尖切線速度越來(lái)越大、剛度越來(lái)越低，葉片顫振的可能性相比以往也大大增加，而我們知道葉片顫振會(huì)最終導(dǎo)致葉片斷裂失效等嚴(yán)重事故。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展， 流固耦合分析方法已成為葉片顫振分析方法的主流
，葉片的流固耦合分析中，需要對(duì)三維非定常流場(chǎng)和葉片的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行時(shí)間推進(jìn)求解，而且葉片振動(dòng)改變了流場(chǎng)邊界，需要采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)流場(chǎng)網(wǎng)格進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。
基于上述流程，傳統(tǒng)的葉片流固耦合顫振分析方法通常會(huì)面臨以下挑戰(zhàn)：
葉片全三維非定常仿真求解計(jì)算資源消耗極大、計(jì)算時(shí)間極長(zhǎng)，極大的制約了該方法應(yīng)用于實(shí)際葉輪機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)流程中；
葉片雙向流固耦合仿真需要同時(shí)對(duì)三維流場(chǎng)和固體振動(dòng)進(jìn)行瞬態(tài)耦合求解計(jì)算，收斂非常困難，難以獲得有用的分析結(jié)果；
CFD軟件與結(jié)構(gòu)軟件之間數(shù)據(jù)交互復(fù)雜、操作繁瑣，不利于工作繁重的工程技術(shù)人員快速學(xué)習(xí)和使用。
針對(duì)上述難點(diǎn)，Ansys基于葉輪機(jī)械專(zhuān)用流體仿真軟件CFX和結(jié)構(gòu)仿真軟件Mechanical推出了能高效、準(zhǔn)確的分析和預(yù)測(cè)葉片顫振解決方案，該方案在求解效率、準(zhǔn)確性和操作易用性等方面居于商業(yè)軟件前列，非常適用于實(shí)際葉輪機(jī)械產(chǎn)品的葉片顫振分析和預(yù)測(cè)。本文將針對(duì)葉片顫振分析，對(duì)流固雙向耦合解耦的方法進(jìn)行著重介紹，更多受迫振動(dòng)分析方法將在Ansys中國(guó)官方微信公眾號(hào)中陸續(xù)發(fā)布。
由于雙向流固耦合計(jì)算成本過(guò)高，不適用于工況點(diǎn)眾多的實(shí)際葉片顫振分析，需要將其解耦為單向流固耦合。解耦方式分為2種：
顫振分析，先進(jìn)行FEM模態(tài)分析，模態(tài)分析結(jié)果作為流體瞬態(tài)分析的邊界條件計(jì)算氣體對(duì)振動(dòng)的阻尼作用.
受迫振動(dòng)分析，先進(jìn)行流體瞬態(tài)分析得到葉片氣動(dòng)激勵(lì)邊界條件，再基于FEM計(jì)算葉片的振動(dòng)和應(yīng)力。
展開(kāi) 隨著對(duì)葉輪機(jī)械產(chǎn)品性能要求的提高，葉尖切線速度越來(lái)越大、剛度越來(lái)越低，葉片顫振的可能性相比以往也大大增加，而我們知道葉片顫振會(huì)最終導(dǎo)致葉片斷裂失效等嚴(yán)重事故。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，流固耦合分析方法已成為葉片顫振分析方法的主流，葉片的流固耦合分析中，需要對(duì)三維非定常流場(chǎng)和葉片的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行時(shí)間推進(jìn)求解，而且葉片振動(dòng)改變了流場(chǎng)邊界，需要采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)流場(chǎng)網(wǎng)格進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。
基于上述流程，傳統(tǒng)的葉片流固耦合顫振分析方法通常會(huì)面臨以下挑戰(zhàn)：
葉片全三維非定常仿真求解計(jì)算資源消耗極大、計(jì)算時(shí)間極長(zhǎng)，極大的制約了該方法應(yīng)用于實(shí)際葉輪機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)流程中；
葉片雙向流固耦合仿真需要同時(shí)對(duì)三維流場(chǎng)和固體振動(dòng)進(jìn)行瞬態(tài)耦合求解計(jì)算，收斂非常困難，難以獲得有用的分析結(jié)果；
CFD軟件與結(jié)構(gòu)軟件之間數(shù)據(jù)交互復(fù)雜、操作繁瑣，不利于工作繁重的工程技術(shù)人員快速學(xué)習(xí)和使用。
針對(duì)上述難點(diǎn)，Ansys基于葉輪機(jī)械專(zhuān)用流體仿真軟件CFX和結(jié)構(gòu)仿真軟件Mechanical推出了能高效、準(zhǔn)確的分析和預(yù)測(cè)葉片顫振解決方案，該方案在求解效率、準(zhǔn)確性和操作易用性等方面居于商業(yè)軟件前列，非常適用于實(shí)際葉輪機(jī)械產(chǎn)品的葉片顫振分析和預(yù)測(cè)。本文將針對(duì)葉片顫振分析，對(duì)流固雙向耦合解耦的方法進(jìn)行著重介紹，更多受迫振動(dòng)分析方法將在Ansys中國(guó)官方微信公眾號(hào)中陸續(xù)發(fā)布。
由于雙向流固耦合計(jì)算成本過(guò)高，不適用于工況點(diǎn)眾多的實(shí)際葉片顫振分析，需要將其解耦為單向流固耦合。解耦方式分為2種：
顫振分析，先進(jìn)行FEM模態(tài)分析，模態(tài)分析結(jié)果作為流體瞬態(tài)分析的邊界條件計(jì)算氣體對(duì)振動(dòng)的阻尼作用.
展開(kāi) 顫振曾多次造成飛機(jī)墜落，許多飛行員因而喪生，飛機(jī)設(shè)計(jì)師們?yōu)榇嘶ㄙM(fèi)了巨大的精力研究顫振現(xiàn)象。當(dāng)今，顫振仍然是飛機(jī)設(shè)計(jì)必須要考慮的問(wèn)題，對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
▲無(wú)人機(jī)顫振解體
氣動(dòng)彈性力學(xué)中，顫振是彈性體在氣流中發(fā)生的不穩(wěn)定振動(dòng)現(xiàn)象。飛機(jī)顫振是作用在機(jī)翼、尾翼等結(jié)構(gòu)上的非定?？諝鈩?dòng)力、慣性力以及彈性力耦合引起的振幅不衰減的自激振動(dòng)。顫振屬于氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性問(wèn)題，具有多種現(xiàn)象形態(tài)，就其空氣動(dòng)力方面發(fā)生的原因而言，顫振問(wèn)題可分為兩大類(lèi)。第一類(lèi)是發(fā)生在勢(shì)流中，流動(dòng)分離和邊界層效應(yīng)對(duì)顫振過(guò)程沒(méi)有重要影響，通常稱(chēng)為經(jīng)典顫振。第二類(lèi)是與流動(dòng)分離和漩渦形成有直接關(guān)系，可稱(chēng)為失速顫振。
20世紀(jì)70年代起，寬頻帶伺服控制系統(tǒng)開(kāi)始應(yīng)用于飛機(jī)。隨著現(xiàn)代飛機(jī)柔性的增大，飛機(jī)系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)之間耦合變得不可忽略，飛機(jī)結(jié)構(gòu)彈性振動(dòng)信號(hào)與剛體運(yùn)動(dòng)信號(hào)一起被傳感器接收，經(jīng)飛行控制系統(tǒng)處理后驅(qū)動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣動(dòng)力變化激勵(lì)機(jī)體產(chǎn)生振動(dòng)，也會(huì)影響飛機(jī)的顫振特性，這類(lèi)現(xiàn)象可稱(chēng)為氣動(dòng)伺服彈性。
飛機(jī)一旦在空中發(fā)生顫振，會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)毀滅性的破壞，飛行員幾乎沒(méi)有處置時(shí)間，因此飛機(jī)飛行包線內(nèi)不容許發(fā)生顫振現(xiàn)象，對(duì)于民用飛機(jī)來(lái)說(shuō)，對(duì)顫振的要求更為苛刻，須通過(guò)大量的理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)、地面試驗(yàn)以及顫振試飛來(lái)驗(yàn)證飛機(jī)滿足適航條款的規(guī)定。
展開(kāi) 
顫振的相關(guān)專(zhuān)題、標(biāo)簽、搜索
顫振的最新內(nèi)容
· 行業(yè)垂直化深耕：針對(duì)新能源汽車(chē)（電池包振動(dòng)、電驅(qū)動(dòng) NVH）、風(fēng)電（葉片顫振、傳動(dòng)鏈疲勞）、人形機(jī)器人（關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)、柔順控制）等細(xì)分領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)專(zhuān)屬模塊，提升仿真精度與效率。
· 云端化與輕量化：推出云端 Adams，支持遠(yuǎn)程協(xié)同建模與仿真，適配中小企業(yè)輕量化需求，降低軟件使用成本。
Ansys Fluent 模擬描繪了格拉斯哥建筑環(huán)境周?chē)娘L(fēng)向和氣流
2.流-固耦合仿真
風(fēng)不僅作用于建筑表面產(chǎn)生壓力，更會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)（如高層建筑的擺動(dòng)、幕墻的變形、橋梁的顫振）。
與鋼制平臺(tái)相比：鑄鐵平臺(tái)減震性能更佳，測(cè)量時(shí)顫振風(fēng)險(xiǎn)較低；應(yīng)力消除更徹和底，長(zhǎng)期精度穩(wěn)定性更高；在同等硬度條件下，耐磨性與刮研適應(yīng)性更強(qiáng)。
簡(jiǎn)單介紹一下鑄鐵測(cè)試平臺(tái)是什么?2個(gè)月前
鋼制平臺(tái)，減震性遠(yuǎn)佳，測(cè)量時(shí)不易產(chǎn)生顫振；應(yīng)力消除更徹和底，長(zhǎng)期精度更穩(wěn)定；同等硬度下，耐磨性和刮研性能更好。
鑄鐵平臺(tái)vs.
支持多約束下的全參數(shù)空間顫振邊界尋優(yōu)。
非線性時(shí)域分析（核心優(yōu)勢(shì)）： 基于 von Kármán 大變形假設(shè)，采用時(shí)域雙軌分岔追蹤法?？煞€(wěn)定提取極限環(huán)振蕩（LCO）幅值分岔拓?fù)洹?/div>
本片內(nèi)容主要是介紹帶有預(yù)載荷的顫振分析方法，主要包括兩類(lèi)：
● 方法一：SOL106（或者SOL 153等求解序列）+SOL 145重啟動(dòng)
● 方法二：SOL 400（2024.2新功能）
方法一
在之前的版本中，對(duì)于帶有預(yù)載荷的顫振分析（也包括熱載荷條件），均是采用SOL 106 +SOL 145重啟動(dòng)的方式進(jìn)行（熱載荷條件下的顫振分析則采用SOL
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</figure>
</figure><p><br></p><h3 class="ql-align-center"><strong><u>剛體與柔性體之間的末端執(zhí)行器加速度對(duì)比</u></strong></h3><h3 class="ql-align-center"><strong><u> </u></strong></h3><p>柔體模型能準(zhǔn)確捕捉由連桿彈性引發(fā)的微小顫振和高頻振動(dòng)
仿真科普｜駕馭風(fēng)場(chǎng)，筑風(fēng)為友：CAE風(fēng)環(huán)境仿真技術(shù)驅(qū)動(dòng)建筑可持續(xù)設(shè)計(jì)9個(gè)月前
</strong><strong style="background-color: rgba(254, 255, 255, 0);">流-固耦合仿真</strong></h3><p> 風(fēng)不僅作用于建筑表面產(chǎn)生壓力，更會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)（如高層建筑的擺動(dòng)、幕墻的變形、橋梁的顫振）。
某風(fēng)力發(fā)電機(jī)廠商發(fā)現(xiàn)，其數(shù)字模型預(yù)測(cè)的葉片顫振頻率，竟比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更接近理論真值。這暗示著，仿真系統(tǒng)可能正在成為新的'力學(xué)真相'發(fā)生器。"
五、未來(lái)展望：AI賦能的動(dòng)力學(xué)大腦
下一代Adams將植入"力學(xué)直覺(jué)"AI內(nèi)核，當(dāng)工程師繪制出概念草圖時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)推導(dǎo)出可能的運(yùn)動(dòng)約束方案。就像AlphaFold預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)那樣，預(yù)見(jiàn)尚未被明確定義的機(jī)械行為范式。
從你想要回答的問(wèn)題開(kāi)始是很有幫助的，然后，我們可以幫助你在合適的領(lǐng)域使用合適的工具:
‐ 外載荷、顫振和動(dòng)力穩(wěn)定性
‐ 內(nèi)部載荷，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和輕量化
‐ 復(fù)合材料的強(qiáng)度與疲勞分析
‐ 空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)
‐ 聲學(xué)和噪聲預(yù)測(cè)
‐ 推進(jìn)與排放
‐ 飛控機(jī)制
‐ 工藝加工和成本核算
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