近日，williamhill威廉希尔网址飞行器设计与工程专业2021级本科生余尚阳以第一作者在航空航天领域国际顶级期刊《AIAA Journal》上发表研究论文“Effects of High-Order Terms in Piston Theory on Panel Flutter”，揭示了活塞理论高阶项的非线性影响机制。共同作者包括关于2024级博士研究生何逸文，论文通讯作者为williamhill威廉希尔网址史爱明副教授。williamhill威廉希尔网址和飞行器基础布局全国重点实验室为论文的唯一署名单位，该研究成果得到了国家自然科学基金的资助。
《AIAA Journal》为美国航空航天学会（American Institute of Aeronautics and Astronautics，AIAA）旗舰期刊，是航空航天领域最具国际影响力的期刊之一，其前身为Journal of the Aeronautical Sciences（JAS）。“中国航天之父”钱学森与他的导师冯卡门合作提出著名的卡门-钱学森公式，就于1938年在该期刊发表。此后十年间，钱学森在该期刊发表了十余篇重要学术论文。在1957年，JAS正式更名为AIAA Journal，始终是航空航天专业领域国际公认的顶级期刊。
研究概要
壁板颤振是飞行器蒙皮等薄壁板结构在气动力、弹性力和惯性力的耦合作用下产生的一种自激振动，是可能引发结构疲劳失效、威胁飞行安全的气动弹性动态失稳现象。随着现代飞行器上薄壁结构和复合材料的应用日趋广泛，及以跨域高速飞行器面临的多物理场等新型复杂飞行环境的出现，壁板响应出现了以混沌运动为代表的复杂非线性动力学特征，进一步威胁飞行器结构安全。因此，壁板气动弹性非线性动力学特征的准确预测对于高速飞行器气动弹性控制策略的发展至关重要。
活塞理论（Piston Theory）为评估超声速流动中的非定常气动力提供了一种高效方法，被广泛应用于气动弹性问题。尽管研究者们应用活塞理论对壁板气动弹性响应的非线性问题进行了广泛研究，但其气动非线性高阶项对壁板响应非线性动力学特征的影响尚不明晰。而在以激波为主要流动特征的超声速流动中，流动非线性往往不容忽视。因此，本研究通过多种非线性动力学研究方法，分别针对由结构非线性主导的超声速流动加热壁板和气动非线性主导的振荡激波入射壁板情况，深入探究了活塞理论中的高阶非线性项对壁板颤振特性及非线性行为的影响。
图1 本研究所取流动场景示意图
研究团队首次发现了活塞理论高阶项会导致振荡激波入射下的壁板颤振幅值减小，揭示了活塞理论高阶项对不同流动场景下对壁板颤振幅值的反向影响规律。结合最大Lyapunov指数和分岔图构建了一类非线性动力学特征的新表征方法，进一步明晰了活塞理论高阶项对壁板气动弹性非线性动力学行为的影响：当结构非线性占主导时，活塞理论高阶项仅产生适度修正；当振荡激波入射导致气动非线性占主导时，高阶项则显著加剧了非线性特性的复杂性，加快推动系统由极限环振荡（LCOs）向混沌运动的转变。
图2 振荡激波入射场景下活塞理论高阶项对壁板非线性特性的影响
研究揭示了活塞理论高阶项对壁板颤振振幅修正和混沌行为调控方面的作用机制，明确了在探究壁板气动弹性非线性动力学行为时，采用包含高阶非线性阻尼和刚度项的三阶（非线性）活塞理论的必要性，为后续相关研究中壁板气动弹性分析模型构建提供了重要理论指导。有望进一步提高壁板气动弹性分析模型的预测精度，助力气动弹性高效控制策略的发展及优化，最终实现高速飞行器的气动性能和结构性能的提升。
相关信息
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此外，威廉williamhill官网高度重视以国际化交流合作推动人才培养与科学研究。依托NPU-Duke联合实验室长期交流桥梁，本研究工作的初稿得到了来自世界航空学终身成就奖获得者、中国政府友谊奖获得者、美国工程院航空航天学部院士评审委员会主席、威廉williamhill官网顾问教授、被誉为当今“气动弹性研究第一人”的杜克大学讲席教授Earl H. Dowell院士的讨论修改。当前，余尚阳同学正通过学校本科生海外毕业设计项目在香港科技大学开展航空航天领域计算流体力学方向的学习研究工作。
论文链接:
https://doi.org/10.2514/1.J065277
余尚阳，中共预备党员，williamhill威廉希尔网址飞行器设计与工程专业2021级本科生。在校期间，学业成绩位专业排名前5%，连续三年获得校优秀大学生荣誉称号和校级奖学金。本科期间，以第一作者在《AIAA Journal》期刊发表论文1篇，主持省级大创项目1项。目前，已推免至williamhill威廉希尔网址飞行器空气动力学系攻读研究生。
