轴向气流中单（夹）层曲壁板的稳定性研究

摘要

本文对高速列车及大跨度建筑中被广泛使用的带有初始构型的单层及夹层曲壁板结构在轴向气流作用下的气固耦合方程进行了推导，设计风洞实验验证对比了气动力计算理论，并对曲壁板的稳定性及分岔现象进行了研究。 第一章主要介绍了本文的研究背景和意义。一方面从超音速流、跨音速流及亚音速流出发分别介绍了国内外壁板气动力模型的研究现状及研究成果；另一方面从平壁板、曲壁板、单层板及夹层板出发综述了现有的壁板气动弹性研究结论及待处理的问题并简述了本文拟开展的工作。 第二章考虑无粘无旋不可压缩气流，基于小扰动线化假设及薄翼理论并利用级数展开的方法计算得到作用在曲壁板上的近似气动力。以圆弧作为曲壁板的初始构型，分析了不同参数对静态气动力分布的影响。结果表明，曲壁板上的气动力与平壁板不同，其主要分为动态气动力及由初始变形引起的静态气动力两个部分；静态气动力沿板轴向对称分布，其大小随来流动压以及初始构型的增大而增大。 第三章设计了三组带有不同初始构型的铝合金曲壁板模型，并完成了吹风实验。用压力传感器测得不同风速下曲壁板上的静压力，使用曲线拟合方法得到了三组不同的初始构型函数并带入理论气动力公式，对比了理论结果与实验结果，并对本文所推导的气动力的截断阶数的敏感性进行了分析。结果表明：本文计算得到的气动压力分布与实验结果更吻合，能够更准确的反映壁板结构上的压力分布；当截断阶数 n=0 时得到的理论气动压力分布较为准确。 第四章采用Kelvin模型，考虑von Karman大变形理论建立了单侧受流的二维粘弹性单层曲壁板的气固耦合控制方程。采用 Galerkin 方法将非线性运动控制方程离散成常微分方程，利用牛顿迭代法求解静变形，在参数平面内分析了曲壁板的分岔结构及临界动压，研究了曲壁板失稳前后的响应特性。研究表明：曲壁板在初始变形后会产生静态气动力；在气流动压超过临界动压以后，曲壁板会产生类似叉式分岔的静态分岔现象，出现两个稳定的平衡点及一个不稳定的平衡点；初始曲率及轴力会影响系统的临界动压，系统的响应与初值有关。 第五章基于Kelvin模型，利用D’Alembert原理建立了粘弹性硬夹芯夹层曲壁板的气固耦合方程，并与第四章模型进行了对比验证。取夹芯层为粘弹性材料，边界层为弹性材料简化方程，利用牛顿迭代法求解夹层板的静变形，分析了夹层曲壁板的临界动压受相关参数的影响。结果指出：夹芯结构可提高抗弯性能及稳定性；当来流动压超过临界值时，系统会出现与单层板相同的分岔形式；夹层板的临界动压与夹芯层厚度及夹芯层与边界层的抗弯刚度比有关。

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