考虑材料物性热效应飞行器声振耦合动态特性分析

高超声速飞行器服役时严重的气动加热会引起结构声振耦合特性发生变化,原因之一是高温改变了材料物性.本文以高超声速飞行器X43A为例,根据飞行器结构各部分的材料物性随温度的变化规律,对材料物性热效应对声振耦合特性产生的影响进行研究.结果表明,高温引起的结构固有频率降低导致声振耦合特性的结构加速度响应峰值发生改变及位置漂移;其分布云图与室温环境相似振型对应频率处的云图具有相似性.内声场模态频率不发生改变,相应的响应峰值有所改变而位置未发生改变;在结构类似振型频率处和声场相同频率处,高温改变了内声场声压的分布,可能出现分布相似或反转现象.     

复杂板壳结构声振耦合特性的理论与实验研究

0引言 在国家民用工业及国防工业减振降噪重大应用需求的牵引下,本文通过理论建模、实验验证和数值计算研究了汽车、高速列车、舰艇/潜艇及航空航天飞行器中常用典型复杂板壳结构的声振耦合特性[1-13],建立了相对完善可靠的结构声振耦合特性理论表征体系,分析了关键结构参数对结构声振耦合特性的影响,揭示了弯曲波在结构中的传播规律及结构的声辐射/传声特性,提山了轻质、高强度、声辐射小及隔声性能优良的复杂板壳结构的创新优化设计概念,初步建立了综合结构质量、力学刚度和声振耦合特性的优化设计理论和判据,为典型板壳/板腔结构在民用工业及国防工业中的应用奠定了理论基础、实验依据并提供了技术支撑.     

蜂窝层芯夹层板结构振动与传声特性研究

蜂窝层芯夹层板应用于飞行器、高速列车等交通工具的主体及底板结构时需要考虑其振动及隔声特性. 针对声压激励下的四边简支蜂窝层芯夹层板结构,应用基于Reissner夹层板理论的结构振动方程建立了的声振耦合理论模型(声压以简支模态双级数的形式引入振动控制方程),结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程,应用有限元模拟对理论预测进行了验证. 基于理论模型的数值计算结果,系统研究了蜂窝层芯夹层板结构的振动特性和传声特性,刻画了层芯厚度、蜂窝壁厚、夹层板面内尺寸和声压入射角度等关键系统参数对夹层板振动和传声特性的影响,为此类结构的工程优化设计提供了必要的理论参考.     

截锥型薄壁结构声振耦合动力特性分析

采用大型通用软件ANSYS,建立截锥型薄壁结构的实体有限元动力学模型,通过与相关实验数据的对比验证了模型合理性。据此,利用无限元模拟自由声场边界,建立声场-截锥型薄壁结构的直接耦合有限元动力学模型。通过数值仿真分析研究了声场中截锥壳结构的振动特性,并讨论了声振动对结构动力特性的影响。研究结果表明:数值仿真结果和截锥壳声振实验数据比较一致。在考虑声场影响后发现:结构位移共振频率值大多有所降低,结构位移共振频率数量显著增多;在低频下,结构位移响应峰值在声场的影响下明显增大;在高频下则明显减小。     

热环境下夹芯梁声振特性的理论与数值研究

针对均匀升温热环境下夹芯梁的声振特性进行了研究。建立了考虑热应力、横向剪切效应、转动惯量影响的夹芯梁振动方程,获得了简支夹芯梁在热环境下振动响应的理论解;通过瑞利积分得到远场声压。结果表明,夹芯梁内存在热应力时,各阶固有频率均下降,速度、辐射声压级、声功率响应曲线均向低频方向漂移,声辐射效率变化不明显。通过与数值仿真结果对比,验证了本文的热预应力夹芯梁声振耦合响应理论分析方法的可行性。此外,本文还分析了不同芯材厚度和弹性模量对夹芯梁声振特性的影响。研究发现,芯层增厚或者软化均会降低整个结构的刚度。     

考虑风-结构-土耦合作用时高层建筑顺风向风振响应分析

本文综合考虑了风-结构-土的耦合作用对高层建筑顺风向风振响应的影响，研究了在各种参数下高层建筑风振响应的特性。由于在风-结构-土耦合作用问题的整个体系的控制方程中，既有时域中的耦合关系，又有频域中的耦合关系，本文提出采用傅立叶变换-时频迭代法来进行求解，较好地解决了用普通的方法难以解决的问题。最后采用数值计算的方法比较了考虑风-结构-土的耦合作用和仅考虑土-结构相互作用以及刚性基础的结构位移响应及加速度响应。     

复杂板-腔系统声振耦合机理分析

以敷设多层粘弹性层的复杂弹性板-声腔声振耦合模型为研究对象,结合多层介质声阻抗方法及波数扩展,采用模态展开法推导出点激励作用下耦合系统振动和声场形式解,通过数值计算探索了弹性板参数和粘弹性层参数对弹性板振动和腔内声场的影响规律,并进一步分析了粘弹性层的抑振降噪效果。结果表明:改变弹性板参数对结构振动影响较大;粘弹性层参数对振动和声场影响较显著,其抑振降噪效果主要集中在1000Hz以上中高频段。     

温度效应对铝合金壁板高频声振疲劳寿命的影响研究

基于统计能量分析方法,计算了不同温度条件下飞行器铝合金壁板的高频声振响应及均方应力;采用零阶矩应力谱法获得了简化应力功率谱,结合频域疲劳寿命分析方法计算了壁板的高频疲劳寿命。分别研究了温度变化导致结构的刚度、材料S-N曲线变化对铝合金壁板高频疲劳寿命的影响规律。研究结果表明:仅考虑刚度变化时,随着温度升高,危险点响应和均方应力均逐渐减小,进而导致壁板疲劳寿命变长;综合考虑刚度、S-N曲线随温度变化时,温度由20℃升高到100℃或降低至-60℃,均会导致铝合金壁板疲劳寿命显著缩短。高频声振疲劳这一特殊的温度效应,对高超声速飞行器的设计而言是一个新的发现。     

温度变化对钢结构动力学响应的影响分析

为了研究钢材料结构在同时受到压力和温度作用时的结构响应,利用热-力耦合结构动力学有限元程序,对不同物性参数随温度变化时的钢结构进行了动力学响应计算,并进行了对比分析.数值模拟结果表明,钢结构受到的应力会随着温度的变化而变化,温度较高时的结构响应计算需要考虑温度的影响,尤其是塑性硬化模型等参数变化时,结构响应会有较大的影响.     

缸套-活塞系统润滑行为与动力学行为耦合分析

建立了缸套-活塞系统油膜润滑与动力学行为耦合分析模型，并用数值方法进行了仿真计算，用有限元法计算了缸体的结构动力响应；通过采用有限差分法求解平均雷诺方程计算了缸套和活塞间的流体润滑特性，并探讨了活塞二阶振动的影响；采用顺序耦合的方法计算了考虑缸套-活塞摩擦、润滑与缸体结构振动、活塞二阶振动耦合作用的缸套-活塞间最小油膜厚度变化、摩擦力及摩擦功耗等．同不考虑缸体振动时的相应分析和计算结果对比发现，缸体结构振动对油膜润滑特性具有重要影响．     

随机激励下受热翼面的模态频率特性试验研究

现代高速飞行器结构热模态频率特性试验研究,对这类飞行器设计校核和飞行安全具有重要意义。根据飞行过程中遭受的气动加热特性设计了瞬态热环境模拟系统,同时,根据高温环境的特点对测试中的激励和测量方式进行了重新设计,成功地将普通激振器应用于高温结构模态试验,最终将热环境模拟系统与振动测试系统组合,形成一套考虑瞬态热影响的热模态试验系统,实现了瞬态热环境下结构模态的地面测试。对一个切尖三角翼测量了各个加热区的温度随加热时间的变化,验证了加热温度控制的精确性;在纯随机激励下对测得的激励和振动响应信号采用短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transformation,STFT)进行时变模态参数辨识,获得了前四阶模态频率随加热时间的变化,并与结构有限元数值计算结果进行了比较,试验与计算结果吻合得很好,验证了该试验方法对热模态测试问题的有效性和准确性。通过分别对瞬态和稳态热环境下结构模态频率试验和计算结果的分析,探讨了结构瞬态温度场对模态频率影响的机理,揭示了结构内部存在的热应力和材料属性的变化,是决定模态频率随加热时间变化趋势的内在原因。     

Effects of thermal impact on a thin spherical cap

Because of the importance of thin shells as structural elements in all aircraft and missile vehicles, the response of the shell to transient thermal loads is of extreme interest. At very high heating rates, as can be produced by the absorption of intense radiation energy, dynamic mechanical response of the structure may be produced. This paper describes a brief exploratory investigation of the effects of short-duration, high-intensity thermal radiation exposure of a thin-shell structure. Exposure of a spherical cap in a arc-image furnance failed to produce buckling under the test conditions. Rapid thermal rupture, however, did result in interesting failure surfaces.     

Aerothermal dynamic failure of infrared window in high-speed aircraft

红外罩材料包括红外罩增透保护膜和基底材料, 是高速导弹结构--功能一体化的关键部件, 应用极为广泛. 但是, 红外罩材料通常工作于恶劣的外界环境下, 处于复杂的热力混合作用状态, 可能导致窗口失效, 因此对红外罩材料热力响应和失效的研究具有重要的科学研究价值和工程实际意义.本文针对高速飞行器环境下红外罩材料的气动热力失效机制, 从典型材料的特性及制备、气动热力响应机理及分析、红外罩材料的结构性和功能性失效等方面总结相关学者的研究成果, 并对今后的发展趋势进行展望.     

考虑日历环境影响的结构日历寿命研究

为科学地确定飞机结构的日历寿命，本文认为飞机结构的损伤历程是地面停放环境和空中疲劳载荷协同作用的结果，并提出以动态的S－N曲线为基础，采用传统的名义应力法和Miner累积损伤理论来估算结构日历寿命的方法。     

THE MECHANISM OF EXPLOSIVE SPALLING OF HIGH STRENGTH AND HIGH PERFORMANCE CONCRETE EXPOSED TO ELEVATED TEMPERATURE

高强高性能混凝土已得到广泛应用,然而高温或火灾下的性能衰减与爆裂成为制约其应用的瓶颈问题,高温爆裂破坏机理尚不清楚. 该文对国内外高温或火灾下高强高性能混凝土爆裂机理的研究进行综述,阐述了蒸汽压、热应力、热开裂3 种热爆裂机理及其影响因素,分析了目前研究存在的困难与挑战. 提出建立一个以蒸汽压致爆机理为主,热应力和热开裂机理为辅的多因素耦合的爆裂模型来定量分析高强高性能混凝土的高温爆裂机理.     

高速飞行器中空翼结构高温热振动特性试验研究

远程高速飞行器飞行速度快, 滞空时间长, 飞行过程中翼、舵等结构会出现长时间的剧烈振动, 由气动加热产生的高温还会使飞行器材料和结构的弹性性能发生变化, 从而引起翼、舵等结构振动特性的改变.因此获得高温与振动复合环境下的远程高速飞行器翼、舵等结构的振动特性参数对于高速飞行器的安全设计具有非常重要的意义.将高温热环境试验系统与振动试验系统相结合, 在对中空翼面结构进行振动激励的同时使用红外辐射加热方式对翼面结构生成可控的热环境, 并通过自行设计的耐高温引伸装置将中空翼结构的振动信号传递到非高温区进行数据采集与分析的方式, 实现了高达800℃~900℃的力热复合环境下的翼结构固有频率、模态等振动特性参数的试验测试, 其试验结果为远程高速飞行器中空翼结构在高温振动环境下的动特性分析和安全可靠性设计提供了重要依据.     

实心球体在热冲击下的动应力和某些现象

本文提出一种简便的解析方法求解实心球体在热冲击载荷作用下的动应力响应。从热动应力的解析表达式和计算结果可以发现圆心处的动应力具有动应力集中现象,并且随着应力波在球体外边界的不断反射而产生周期性振荡。     

气动加载与振动激励耦合试验方法研究

飞机结构在飞行过程中同时承受气动载荷和振动载荷的联合作用,这两种载荷的耦合加载试验对于飞机结构成为一项重要的研究内容,所以有必要对此类试验的可行性及其耦合加载方式进行研究。此次试验以气囊加载静载/常规疲劳载荷状态下试件的振动响应测试为目的,设计符合试验要求的试件和整套试验装置。得到了气囊5种不同加载情况下试件振动响应变化情况,并对此试验结果进行了理论分析,得出以下结论:a)气囊模拟静载/常规疲劳载荷加载不会大幅改变结构本身振动特性,此耦合试验方法所模拟环境比较接近飞机结构真实载荷环境;b)加载气囊的个数、部位及加载力的不同对试件结构的振动响应有一定影响,应增加气囊蓄能器或在试验前进行分析以选择合理的加载点。     

NUMERICAL SIMULATION STUDY ON DYNAMIC RESPONSE UNDER RUDDER CONTROL

针对超声速机动飞行器舵面操纵动态响应问题,开展了相应的算法研究,建立了适用于模拟舵面与弹体相对运动及弹体气动力动态响应的非定常计算方法和局部动态网格变形技术. 以方形弹超声速绕流为例,验证了所提出的定常和非定常计算方法. 对方形弹舵面操纵的3种基本过程(脉冲、阶跃和谐波) 进行了数值模拟,获得了舵面操纵下导弹的俯仰运动对操纵的响应过程. 研究结果表明,快速的舵面操纵过程,甚至会导致导弹的俯仰运动失稳.