抖振问题中结构“锁频”现象的机理研究

The structural lock-in is a remarkable phenomenon in buffeting problems. It is not only due to its peculiarity, but also due to the vibration amplitude will achieve a peak value in lock-in state, which will induce the structural failure. Most of the researchers pin the mechanism of lock-in phenomenon on resonance. However, how resonance induces the structural frequency lock-in? Why lock-in phenomena will appear out of the resonance region? From our recent research, the lock-in phenomena in the separated flow is closely related to the interaction between the fluid mode and the structural mode. .. In this project, we will construct the unstable fluid mode and reduced the order of aerodynamic model by POD method or system identification methods firstly. Then by coupling the fluid model and structural model in state-space, the analytical fluid-structure interaction model of the buffeting problem in unstable flow field is established. .. The vortex induced vibration, buffeting at high angle of attack and transonic buffeting will be researched. By solving the eigenvalue problem, combining with the CFD/CSD time simulation results, the mechanics of lock-in phenomenon will be discovered. The lock-in region and the characteristics will then be studied. Lastly, the research conclusion will be validated by the wind tunnel experiments... The research achievement of the project is very important on both theoretical value and applied value for solving structural buffering problem in aeronautic engineering, civil engineering, nucleus engineering and ocean engineering, et al.

抖振问题中的结构锁频现象是一个非常引人瞩目的课题，这不仅因为锁频的奇特性，更在于振动幅值在锁频区域将达到峰值，极易造成结构的破坏。绝大部分学者将锁频现象归结为共振问题。然而，共振是如何导致锁频的？为何锁频也会在共振区之外出现？项目组近期研究发现，分离流中的锁频现象与结构模态和流动模态的耦合效应密切相关。本项目研究以提取不稳定的流场结构和非定常气动力特征为突破口，构建非定常分离流的降阶模型，通过状态空间耦合结构和流体运动方程，建立自诱型抖振的流固耦合数学模型。以绕弹性支撑的圆柱、大迎角翼型抖振和跨声速翼型抖振为研究对象，通过特征分析方法，结合CFD/CSD仿真方法，揭示抖振问题中结构锁频现象的诱发机理，并研究相关参数对锁频范围和特征的影响规律。最后，通过风洞实验对研究结论进行验证。研究成果可为航空工程等领域解决锁频状态下的破坏性抖振问题提供理论依据和实践指导。

抖振问题广泛存在于工程实践中，当结构固有频率接近流动特征频率时会出现奇特的锁频现象，诱发结构发生大幅振动，从而危及结构的安全性。本项目针对钝体绕流涡致振动、大迎角翼型抖振和跨声速翼型抖振问题中的“频率锁定”现象开展机理研究。具体完成了以下工作：发展了复杂分离流动的高精度数值模拟方法；在CFD数值模拟的基础上，提出了一种基于不稳定流动定常解的非定常分离流降阶建模方法，分析了抖振流动的稳定性，并提取了流动的绝对不稳定模态；耦合非定常流动降阶模型和结构运动方程构建了流固耦合线性动力学分析模型，通过特征分析方法，研究了流动状态、质量比和阻尼等参数对锁频特性的影响，揭示了抖振中结构锁频现象的机理；最后通过直接CFD/CSD仿真和风洞试验对提出的锁频诱发机理进行了验证。研究发现模态耦合颤振是导致锁频现象的根本原因。与稳定流动中结构模态间耦合的经典颤振不同，这种特殊的颤振本质上是不稳定分离流动诱发的单自由度颤振，即一结构模态和流动模态进行耦合，诱导结构模态失稳，并且在与不稳定流动模态的竞争中，结构模态最终主导了系统的动力学响应，导致了锁频现象。本项目研究对锁频现象的奇妙特征给予了很好的解释，否定了传统的共振观点。项目研究成果对工程中如何抑制抖振状态下的结构大幅振动具有重要的理论指导价值。项目组完成了原定计划的全部研究内容，实现了预期的研究目标。通过本项目的资助，在Journal of Fluid Mechanics等本领域国际知名期刊发表SCI论文10余篇，在科学通报等国内核心期刊发表论文5篇，参加或举办学术交流会议12次，获得大会优秀论文5篇。