顫振分析
關(guān)注創(chuàng)建者：仙女的仙兒 創(chuàng)建時間：2018-01-17
顫振分析的實例教程
隨著對葉輪機械產(chǎn)品性能要求的提高，葉尖切線速度越來越大、剛度越來越低，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最終導(dǎo)致葉片斷裂失效等嚴重事故。隨著計算機仿真技術(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，需要對三維非定常流場和葉片的瞬態(tài)響應(yīng)進行時間推進求解，而且葉片振動改變了流場邊界，需要采用動網(wǎng)格技術(shù)對流場網(wǎng)格進行實時更新。
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面臨以下挑戰(zhàn)：
葉片全三維非定常仿真求解計算資源消耗極大、計算時間極長，極大的制約了該方法應(yīng)用于實際葉輪機械產(chǎn)品的研發(fā)流程中；
葉片雙向流固耦合仿真需要同時對三維流場和固體振動進行瞬態(tài)耦合求解計算，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)人員快速學習和使用。
針對上述難點，Ansys基于葉輪機械專用流體仿真軟件CFX和結(jié)構(gòu)仿真軟件Mechanical推出了能高效、準確的分析和預(yù)測葉片顫振解決方案，該方案在求解效率、準確性和操作易用性等方面居于商業(yè)軟件前列，非常適用于實際葉輪機械產(chǎn)品的葉片顫振分析和預(yù)測。本文將針對葉片顫振分析，對流固雙向耦合解耦的方法進行著重介紹，更多受迫振動分析方法將在Ansys中國官方微信公眾號中陸續(xù)發(fā)布。
由于雙向流固耦合計算成本過高，不適用于工況點眾多的實際葉片顫振分析，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)分析的邊界條件計算氣體對振動的阻尼作用.
受迫振動分析，先進行流體瞬態(tài)分析得到葉片氣動激勵邊界條件，再基于FEM計算葉片的振動和應(yīng)力。
展開 隨著對葉輪機械產(chǎn)品性能要求的提高，葉尖切線速度越來越大、剛度越來越低，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最終導(dǎo)致葉片斷裂失效等嚴重事故。隨著計算機仿真技術(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，需要對三維非定常流場和葉片的瞬態(tài)響應(yīng)進行時間推進求解，而且葉片振動改變了流場邊界，需要采用動網(wǎng)格技術(shù)對流場網(wǎng)格進行實時更新。
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面臨以下挑戰(zhàn)：
葉片全三維非定常仿真求解計算資源消耗極大、計算時間極長，極大的制約了該方法應(yīng)用于實際葉輪機械產(chǎn)品的研發(fā)流程中；
葉片雙向流固耦合仿真需要同時對三維流場和固體振動進行瞬態(tài)耦合求解計算，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)人員快速學習和使用。
針對上述難點，Ansys基于葉輪機械專用流體仿真軟件CFX和結(jié)構(gòu)仿真軟件Mechanical推出了能高效、準確的分析和預(yù)測葉片顫振解決方案，該方案在求解效率、準確性和操作易用性等方面居于商業(yè)軟件前列，非常適用于實際葉輪機械產(chǎn)品的葉片顫振分析和預(yù)測。本文將針對葉片顫振分析，對流固雙向耦合解耦的方法進行著重介紹，更多受迫振動分析方法將在Ansys中國官方微信公眾號中陸續(xù)發(fā)布。
由于雙向流固耦合計算成本過高，不適用于工況點眾多的實際葉片顫振分析，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)分析的邊界條件計算氣體對振動的阻尼作用.
展開 在某些情況下，渦流脫落還會引起不穩(wěn)定的負載，從而導(dǎo)致正反饋回路引起顫振。
負反饋循環(huán)
結(jié)構(gòu)變形降低了氣動載荷，進一步減小了變形并導(dǎo)致氣動載荷降低，等等。
循環(huán)一直持續(xù)到飛機達到穩(wěn)定和控制為止。
氣動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的循環(huán)。隨著每個循環(huán)的振動幅度增加，結(jié)構(gòu)失效的風險增加。這是由于振動幅度超過結(jié)構(gòu)限制的風險。
根據(jù)飛機的幾何形狀和氣流條件，顫振可能會以不同的速度發(fā)生，這使其成為一個主要的安全問題。因此，氣動彈性顫振分析在設(shè)計階段至關(guān)重要，可以預(yù)測產(chǎn)生的載荷和避免顫振問題所需的結(jié)構(gòu)完整性。
氣動彈性顫振分析：確定影響因素
氣動彈性顫振分析側(cè)重于預(yù)測和分析飛機的顫振行為及其對空氣動力學性能的影響。影響包括空氣動力載荷增加、飛機失控風險增加以及空氣動力效率降低等問題。各種分析、計算和實驗方法或它們的組合可用于在設(shè)計階段進行氣動彈性顫振分析，以獲得準確可靠的結(jié)果。
顫振分析需要識別一些關(guān)鍵組件。
顫振速度
顫振速度是振動的固有頻率與空氣動力載荷的頻率相等時空速的量度。這些頻率可以在不同的速度下識別，用于不同空氣動力學模型的顫振分析。該分析有助于確定易受顫振影響的理想飛機設(shè)計。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安全性。
顫動模式
不同的顫振模式或振動模式會影響飛機的顫振體驗。
展開 Ansys軟件基于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的單向耦合解耦方法，將復(fù)雜的流固耦合問題簡化為切實可行的葉片顫振分析工程解決方案；采用業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的諧波平衡瞬態(tài)流場分析方法，大大提升了葉片顫振分析過程中瞬態(tài)求解的速度；基于能量法的阻尼系數(shù)正負，準確明晰的判斷葉片設(shè)計是否發(fā)生顫振，為用戶產(chǎn)品設(shè)計提供直接有效的指導(dǎo)。
在Ansys Workbench集成平臺下，工程師可快速、便捷的調(diào)用CFX、Mechanical等模塊進行葉片顫振分析、預(yù)測、設(shè)計改進和數(shù)據(jù)存儲。Ansys軟件將助力用戶實現(xiàn)準確高效的葉片顫振分析和預(yù)測！
來源于：Ansys
展開 引言
MSC Nastran具備靜力學、動力學、非線性、優(yōu)化、氣彈等功能全面的結(jié)構(gòu)分析功能，在航空航天、汽車、船舶等各個行業(yè)均有廣泛的應(yīng)用。
在氣動彈性分析方面，MSC Nastran具備靜氣彈、顫振、氣彈動響應(yīng)、氣彈優(yōu)化分析等多種功能，也支持考慮熱載荷、伺服等條件下的氣動彈性問題，請參考[1]。
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：
● 方法一：SOL106（或者SOL 153等求解序列）+SOL 145重啟動
● 方法二：SOL 400（2024.2新功能）
方法一
在之前的版本中，對于帶有預(yù)載荷的顫振分析（也包括熱載荷條件），均是采用SOL 106 +SOL 145重啟動的方式進行（熱載荷條件下的顫振分析則采用SOL 153+SOL145重啟動進行分析）。其中SOL 106用于預(yù)載荷的加載，而SOL 145用于在完成加載、得到更新后的結(jié)構(gòu)剛度之后，完成顫振分析。
下圖是一個簡單的機翼模型（基于氣彈手冊中HA145E修改），其預(yù)載荷為右側(cè)弦向中央的一個Z向10N的載荷。
圖1 結(jié)構(gòu)模型
圖2 SOL 106的計算模型
上圖為SOL 106計算模型的局部。此模型與常規(guī)分析沒有區(qū)別。用戶需要注意在提交計算時輸出“scr=no”以保留計算模型數(shù)據(jù)庫文件。
圖3 提交計算
下圖為重啟動分析采用SOL 145計算模型文件。
展開 
顫振分析的最新內(nèi)容
針對傳統(tǒng)商業(yè)有限元在處理變剛度復(fù)合材料（VSCL）與變厚度幾何時存在的網(wǎng)格畸變、計算耗時長、非線性極易發(fā)散等痛點，本人開發(fā)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(xù)介質(zhì)力學方程進行離散，可實現(xiàn)復(fù)合材料板殼/懸臂翼面的極速參數(shù)掃描與深區(qū)非線性分岔追蹤。現(xiàn)分享部分計算結(jié)果，并承接相關(guān)復(fù)雜工況的定制計算與數(shù)據(jù)圖表輸出。
一、 核心理論框架
結(jié)構(gòu)本構(gòu)
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：
● 方法一：SOL106（或者SOL 153等求解序列）+SOL 145重啟動
● 方法二：SOL 400（2024.2新功能）
方法一
在之前的版本中，對于帶有預(yù)載荷的顫振分析（也包括熱載荷條件），均是采用SOL 106 +SOL 145重啟動的方式進行（熱載荷條件下的顫振分析則采用SOL
海克斯康的解決方案可以解決的問題包括：
? 轉(zhuǎn)子或管道風扇
? 數(shù)量
? 尺寸
? 位置
? 機身空氣動力學
? 性能
? 正常操作條件
? 緊急情況
? 氣彈顫振分析
8、 加工工藝和成本
? 機加工部件
? 對于CNC加工，用戶在一個高性能的CAM系統(tǒng)中優(yōu)化和模擬整個制造過程，以預(yù)測制造一個零件或一批零件所需的加工時間和成本。
常見的求解類型包括SOL101線性靜力求解，SOL103模態(tài)求解，SOL105屈曲求解，sol106非線性靜力求解，sol145顫振分析求解，sol129非線性動力求解，sol107轉(zhuǎn)子復(fù)特征值分析（轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速）求解。
支持功能包括：
基于結(jié)構(gòu)的非線性平衡狀態(tài)進行線性的擾動分析
支持多種擾動分析，包括線性靜力學、模態(tài)分析、屈曲分析、直接和模態(tài)法頻響分析、直接和模態(tài)法復(fù)特征值分析、模態(tài)法瞬態(tài)響應(yīng)分析、靜態(tài)氣彈性分析和顫振分析
鏈式熱-結(jié)構(gòu)分析（熱分析后，進行單獨的應(yīng)力分析）
復(fù)合材料應(yīng)力-失效分析
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計和測試既昂貴又耗時。
支持功能包括：
基于結(jié)構(gòu)的非線性平衡狀態(tài)進行線性的擾動分析
支持多種擾動分析，包括線性靜力學、模態(tài)分析、屈曲分析、直接和模態(tài)法頻響分析、直接和模態(tài)法復(fù)特征值分析、模態(tài)法瞬態(tài)響應(yīng)分析、靜態(tài)氣彈性分析和顫振分析
鏈式熱-結(jié)構(gòu)分析（熱分析后，進行單獨的應(yīng)力分析）
復(fù)合材料應(yīng)力-失效分析
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計和測試既昂貴又耗時。
通過模態(tài)分析，可以了解葉片在不同頻率下的振動特性，為顫振分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在顫振分析中，模態(tài)分析通常用于驗證流體與結(jié)構(gòu)耦合的合理性，并作為諧響應(yīng)分析的基礎(chǔ)。
諧響應(yīng)分析：諧響應(yīng)分析是研究葉片在正弦激勵下的振動響應(yīng)。通過諧響應(yīng)分析，可以預(yù)測葉片在特定頻率下的振動幅值，從而評估葉片的顫振風險。在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)置位移或載荷幅值及掃頻范圍，計算得到葉片結(jié)構(gòu)的幅頻圖，從而分析葉片的顫振特性。
<p>工具簡介：提取f06文件中的v-g，v-f數(shù)據(jù)并繪制曲線，計算顫振速度和顫振頻率。</p><div contenteditable="false" width="100%">
<figure class="figure-image" data-img="https://img.jishulink.com/202407/attachment/cd2d89325bc041f8970d900904faedcd.png
簡單平板顫振案例，利用FLDS進行顫振分析建模和設(shè)置，利用nastran sol145進行顫振分析求解和后處理。
[2]張仁嘉，吳志剛，楊超．電動伺服舵系統(tǒng)動力學建模及顫振分析[J]．北京航空航天大學學報，2016，42(7)：1368-1376．
[3]張開敏，鄧瑞清．舵機傳動機構(gòu)動力學建模與分析[J]．航空兵器，2012(4)：34-49．
[4]張曉宏．連接面剛度對于升力面動力學特性影響研究[J]．強度與環(huán)境，2014，41(3)：29-36．
文章來源：航空航天
