大型空间结构的热-动力学耦合问题及其有限元分析

论文对辐射换热条件下闭口薄壁杆件与单枝开口薄壁杆件的瞬态温度场问题,提出了一种一维傅立叶温度有限元,克服了传统一维温度单元只能计算薄壁杆截面平均温度的缺点,通过增加结点摄动温度自由度的方法,该一维单元能计算杆截面的温度分布.在此一维温度单元与梁位移单元相协调的基础上,进一步发展了大型空间结构热诱发振动稳定性判据与热颤振响应有限元计算方法.对于柔性空间结构发展了考虑几何非线性的热-结构动力学耦合有限元计算方法,成功地对这类结构的热动力屈曲问题进行了数值模拟.     

大型空间结构热?动力学耦合分析方法综述

近年来, 各种大型空间结构逐渐在我国航天工程中得到应用, 相应的热诱发振动问题也日益受到重视. 在此背景下, 有必要进一步梳理热诱发振动的机理和分析设计中的关键问题. 本文将结合作者的研究工作对此问题进行全面介绍, 并主要强调在分析复杂工程结构的热诱发振动问题时需要注意的特殊问题. 本文首先介绍了可以高效地分析空间薄壁杆件结构(包含开口和闭口薄壁杆件)在辐射换热条件下的瞬态温度场的Fourier有限元方法; 随后介绍了热诱发振动的线性和非线性分析方法, 强调了热?动力学耦合效应. 为了对复杂空间结构产生热诱发振动的必要条件给出解析表达式, 本文将瞬态温度场与振动位移场统一在模态空间中进行分析, 从而得到评价热诱发振动剧烈程度的一般性条件. 在此基础上, 本文进一步讨论了热诱发振动的运动稳定性问题, 以悬臂杆件的热颤振准则为例揭示了热诱发振动发散的物理机理, 并给出了评定复杂工程结构热颤振的分析方法. 论文最后概要地指出了在热诱发振动的地面试验和抑制方法中需要注意的问题, 并对将来的研究工作进行了展望.      

辐射换热下瞬态热一结构分析的一种空间薄壁杆单元

发展了一种用于辐射换热条件下瞬态热一结构分析的空间薄壁杆单元，其截面形式可以是任意形状的闭口截面和单支开口截面。该单元温度场分解为平均温度和多谐摄动温度，沿杆轴方向采用两结点线性插值，沿杆截面周向用三角函数展开，每结点含多个解耦的自由度，其中结点平均温度方程同传统一维温度有限元方程为非线性，各谐摄动温度方程为线性，然后利用Wilson-θ法求解结构的瞬态温度场。本文选择了两节点Bernoulli直梁单元得到准静态热弹性有限元方程并求解，针对非对称开口截面考虑了翘曲变形及弯扭耦合的影响。温度场引起的等效热载荷不仅包括常规的热轴力，还包括热弯矩以及热双力矩。本文针对不同截面形式的粱单元给出了瞬态温度场以及热变形的验证算例，并通过与商业程序中二维壳元计算结果的比较说明了本文所提出方法的正确性和高效性。     

辐射换热下瞬态热-结构分析的一种空间薄壁杆单元

发展了一种用于辐射换热条件下瞬态热-结构分析的空间薄壁杆单元,其截面形式可以是任意形状的闭口截面和单支开口截面。该单元温度场分解为平均温度和多谐摄动温度,沿杆轴方向采用两结点线性插值,沿杆截面周向用三角函数展开,每结点含多个解耦的自由度,其中结点平均温度方程同传统一维温度有限元方程为非线性,各谐摄动温度方程为线性,然后利用Wilson-θ法求解结构的瞬态温度场。本文选择了两节点Ber-noulli直梁单元得到准静态热弹性有限元方程并求解,针对非对称开口截面考虑了翘曲变形及弯扭耦合的影响。温度场引起的等效热载荷不仅包括常规的热轴力,还包括热弯矩以及热双力矩。本文针对不同截面形式的梁单元给出了瞬态温度场以及热变形的验证算例,并通过与商业程序中二维壳元计算结果的比较说明了本文所提出方法的正确性和高效性。     

空间薄壁管结构瞬态温度场、热变形有限元分析

对于辐射换热的薄壁杆件航天结构，为分析其在太空中不同时刻的姿态下的温度场和热变形，构造了一种相对自由度矩形管单元。其基本思想是从2维非线性瞬态热传导方程出发，假设沿矩形管横截面上每边的温度为线性分布，用4个角点的平均温度和温差来表示矩形管横截面上的温度分布，构造了一种1维2结点温度杆单元，该单元每个结点包含平均温度，上下面温差，左右面温差3个自由度；在计算热变形时，此三个广义温度参数分别对应热轴力和2个热弯矩载荷。经与三维有限元计算结果的比较，证明用该单元计算的矩形管温度场和位移场是可靠的。利用这种新型的薄壁矩形管单元和本文作者在其他文章中提出的薄壁圆管单元，可以对非线性换热条件下的复杂空间结构进行比较准确的温度场和热变形有限元分析，最后本文计算了考虑遮挡的太阳能帆板的瞬态温度场和热变形以说明其应用价值。     

中心舱体与薄壁梁刚-柔耦合系统的热弹性-结构动力学分析

空间柔性结构受太阳热流冲击而诱发的振动是导致航天器失效的典型模式之一,准确预测结构热致振动的响应及稳定性是卫星设计的基础。针对常见的中心舱体与附属薄壁杆件组成的空间结构,提出了考虑刚-柔耦合、耦合热弹性和耦合热-结构三重耦合效应的热致振动分析理论模型。其中,刚-柔耦合是指舱体姿态角、顶端集中质量转动与柔性附件运动的耦合;耦合热弹性是指应变率与温度场的耦合;耦合热-结构是指舱体转动及结构变形与薄壁杆件吸收太阳热流的耦合。基于热弹性理论和Lagrange方程,推导了传热和运动的耦合方程;采用Laplace变换方法并使用Routh-Hurwitz稳定判据推导了稳定性边界方程。结果表明,该模型能够更为准确的给出热致振动响应及稳定性预测。     

跨内支撑杆及阶梯杆屈曲的一种解析法分析

针对跨内含支撑的杆和变截面阶梯杆的弹性屈曲问题，提出一种分段作屈曲分析再叠加重组的分析方法．首先在杆两端引入横向和旋转弹簧，用以模拟弹性边界条件．其次建立两端弹性约束杆屈曲方程的通用形式，并通过屈曲方程求得几种边界约束杆端部弹性刚度因子的解析表达式．最后，建立拆分杆段连接处的平衡方程和协调条件，综合杆段的屈曲方程和节点的补充刚度条件得到整个杆件的屈曲方程，从而求得临界力．本文还提出一种基于泰勒展开求解屈曲特征方程近似根的方法．算例中将本方法所得结果与既有文献和有限元软件计算结果对比，验证本方法的适用性和准确度．所提方法属于解析方法，得到简洁、严密和易用的解析公式，可为多跨结构和变截面杆件的屈曲分析提供新参考．     

薄壁圆管空间结构的热疲劳可靠性分析

针对薄壁圆管的空间结构，分析其在交变热载荷下的疲劳可靠性问题。为同时考虑由截面平均温度和截面温差造成的疲劳损伤，提出了综合利用剩余强度和疲劳累积损伤模型的分析方法。首先根据疲劳累积损伤相等原理，将截面温差造成的多级扰动应力载荷作用频次等效为平均温度下的常幅应力载荷作用次数，从而将两者产生的热应力载荷统一为一常幅载荷，再利用剩余强度模型基于动态应力-强度干涉理论对疲劳可靠度进行分析，得到了结构在综合考虑两种热疲劳状态下的动态可靠度。本方法可避免直接利用疲劳累积损伤理论临界损伤值难以确定的问题，且能体现金属疲劳损伤的真实情况。最后以哈勃望远镜为例，分析了其主梁随疲劳热载荷循环作用下的动态可靠度，得出了一些有意义的结论。     

基于粒子群-AK-MCS法的结构可靠性分析

Kriging代理模型由于其良好的非线性拟合能力，在可靠性分析领域得到了广泛的应用。为提高Kriging模型的建模效率，本文提出一种混合粒子群算法的AK-MCS法，该方法在保证模型精度的前提下减少了构建代理模型时的迭代次数，且提高了模型的全局寻优能力。以一10杆桁架结构为研究对象，通过建立结构控制位移与杆件截面面积和集中荷载之间的代理模型，快速求解桁架结构的失效概率。研究表明，本文方法有效提高了Kriging模型建模效率和建模精度，在计算复杂工程结构时具有一定的可行性。     

关于规定荷载下柱截面设计方法的探讨

桁架和柱的设计中,常碰到压杆的稳定问题,这一问题在不知杆的截面尺寸情况下,是以试算的方法确定杆的临界力,然后确定截面尺寸.本文给出了常见型钢杆件、松元木杆件受压时稳定问题的图解法,设计者可依据其荷载、支承情况迅速地查出所需截面尺寸或型钢型号.     

Biothermomechanics of skin tissues

Biothermomechanics of skin is highly interdisciplinary involving bioheat transfer, burn damage, biomechanics and neurophysiology. During heating, thermally induced mechanical stress arises due to the thermal denaturation of collagen, resulting in macroscale shrinkage. Thus, the strain, stress, temperature and thermal pain/damage are highly correlated; in other words, the problem is fully coupled. The aim of this study is to develop a computational approach to examine the heat transfer process and the heat-induced mechanical response, so that the differences among the clinically applied heating modalities can be quantified. Exact solutions for temperature, thermal damage and thermal stress for a single-layer skin model were first derived for different boundary conditions. For multilayer models, numerical simulations using the finite difference method (FDM) and finite element method (FEM) were used to analyze the temperature, burn damage and thermal stress distributions in the skin tissue. The results showed that the thermomechanical behavior of skin tissue is very complex: blood perfusion has little effect on thermal damage but large influence on skin temperature distribution, which, in turn, influences significantly the resulting thermal stress field; the stratum corneum layer, although very thin, has a large effect on the thermomechanical behavior of skin, suggesting that it should be properly accounted for in the modeling of skin thermal stresses; the stress caused by non-uniform temperature distribution in the skin may also contribute to the thermal pain sensation.     

热-动力学耦合多体系统建模与降阶

在轨运行的卫星天线受到太阳辐射热冲击后容易出现热致振动或指向不准确等问题, 严重时会导致航天器失效. 本文提出了一种基于改进模态综合法的刚柔热耦合多体系统建模与降阶方法. 采用绝对节点坐标法单元形函数对柔性天线的位移场与温度场进行统一离散插值, 避免了两种物理场网格不匹配带来的映射误差与效率问题, 并使用绝对节点坐标参考节点描述中心刚体. 在系统方程中考虑了热流输入和表面自热辐射. 针对绝对节点坐标法切线刚度阵高度非线性的特点, 利用一阶泰勒展开对系统动力学和传热学方程进行了分段线性化, 在线性化区间内切线刚度矩阵为常数矩阵, 避免了每个时间步上的弹性力及其雅克比矩阵的迭代计算, 并使得基于模态的降阶手段得以应用. 利用改进的模态综合方法划分子结构并缩减系统自由度. 相邻子结构之间通过约束方程保证连接精度和连续性. 通过纯导热半圆形薄板、薄板的热膨胀、柔性太阳能电池板和刚柔热耦合抛物线天线四个数值算例验证本文所提出方法的有效性. 结果表明, 本文提出的方法在保证仿真精度的前提下缩减了系统规模, 提高了仿真计算效率.      

Combined radiation and natural convection effects on graetz problem in horizontal isothermal circular tubes

A numerical analysis is performed on the combined thermal radiation and mixed convection for a gray fluid flow in a horizontal isothermally-heated circular tube. The governing equations of vorticity-velocity form are employed and solved by DuFort-Frankel method. The contribution of radiation is formulated by integral expression and solved by finite element nodal approximation. The effects of radiation and convection on local Nusselt number and the developing of bulk temperature are presented. The result shows that the heat transfer can be significantly enhanced by the effects of radiation and secondary flow induced by buoyancy. Besides, the fluctuation in local Nusselt number curve which is caused by the existence of secondary flow is reduced by the effect of thermal radiation.     

Quantitative infrared investigation of local heat transfer in a circular finned tube heat exchanger assembly

This work deals with the local heat transfer coefficient evaluation over the fin of the second row of a staggered circular finned tube heat exchanger assembly. The coefficient distribution is determined by using a transient technique and by calculating the energy balance during the fin cooling. The calculation model takes into account radiation with the surrounding and lateral heat conduction into the material. The method uses infrared measurements and integration between time bounds that depend on space. It is proposed to choose the integration bounds with an original criterion based on local heat transfer. Validation is performed on the reference case consisting in a thin plate in an aerodynamically and thermally developing channel flow. Then, distributions of Nusselt number on the circular fin are presented for several Reynolds numbers. The high resolution of the whole method and set-up allow detecting thermal imprints of developing horseshoe vortices. These imprints are analyzed by following their angular evolution around the tube.     

基于谱元法的空间刚架动力学特性分析

以空间刚架结构为研究对象,应用谱元法研究其动力学特性,依次推导出杆、轴和铁木辛柯梁的动力学刚度阵,进而得到空间刚架的动力学刚度阵和频域响应的理论方程,拓展了谱元法应用范围。编程计算获得空间刚架的固有频率和点的谐响应曲线,与有限元分析相比较,进一步得到载荷下的瞬态响应。研究表明,谱元法在刚架结构的动力学特性分析中,比有限元方法高效高精度,更适宜解决中高频振动问题。     

激光辐照下充内压柱壳动态爆裂的数值模拟

采用动力有限元显式积分程序,对承受内压、在侧面受到激光辐照的圆柱壳的热 力学响应进行了数值模拟,展现了圆柱壳热软化、鼓包和爆裂的动态失效过程。获得的柱壳失效方式与实验现象基本吻合;还给出了不同内压作用下柱壳的破坏时间,获得一些定性的认识。