瞬态热冲击下层合材料板界面的热弹性行为

基于带有两个热松弛时间的G-L广义热弹性理论, 利用有限元方法研究了零阻抗理想界面层合板在瞬态热冲击诱导的位移、应力和温度等通过界面时的热弹性行为. 通过比较不同层中材料的比热容、热导系数、热松弛时间和密度等对界面处的位移、应力和温度的影响, 研究了不同材料参数对复合材料热力学行为影响, 发现不同材料参数将导致热穿过界面时界面处温度、位移和应力发生突变, 研究结果可以为由热引起的层合板挠曲变形提供理论依据.      

热释电材料问题的通解与界面裂纹

该文讨论了热释电材料中的热弹性问题的一般解，进而求解了共线界面裂纹问题．利用Ｓｔｒｏｈ方法，把热释电材料的热弹性界面裂纹问题化为一向量形式的Ｈｉｌｂｅｒｔ问题，求出这一Ｈｉｌｂｅｒｔ问题的通解，进而求得了热释电材料热弹性界面裂纹的闭合解，得到了温度、热流、位移、电势、应力和电位移的全场解，得到了裂纹张开位移及电势差的精确表达式．在此基础上，还求得了均匀热释电体中单个热弹性裂纹裂尖场，单个界面裂纹裂尖场以及点热源与界面裂纹的作用．此外，该文还对界面裂纹顶点附近的端部场作了渐近分析．     

热对流条件下考虑球形夹杂分布的材料热弹接触摩擦热影响分析

机械传动关键活动零部件接触副往往受到力载荷和摩擦热载荷的耦合作用,使得接触界面间的接触力学行为的分析变得极其复杂. 利用基于等效夹杂方法建立的考虑热对流非均质材料热弹接触力学分析模型研究不同摩擦系数、夹杂位置和材料属性等参数对材料表面及内部温升及热应力分布影响规律. 此外,进一步分析了接触副材料中含分布球形夹杂时摩擦热造成的影响. 结果表明:接触副表面温升梯度受热对流系数的影响较大;下表面温升和热应力随摩擦系数增大而增大;分布夹杂则将接触副材料下表面温升及热应力分布变得更为复杂.      

热过屈曲功能梯度壁板的气动弹性颤振

功能梯度材料的宏观物理性能随空间位置连续变化,能充分减少不同组份材料结合部位界面性能的不匹配因素.功能梯度壁板用作高速飞行器的热防护结构,能有效消除气动加热带来的壁板内部热应力集中.本文考虑热过屈曲变形引入的结构几何非线性,分析功能梯度壁板的气动弹性颤振边界.基于幂函数材料分布假设,采用混合定律计算功能梯度材料的等效力学性能.根据一阶剪切变形板理论、冯·卡门应变-位移关系和一阶活塞理论,基于虚功原理建立超声速气流中受热功能梯度壁板的非线性气动弹性有限元方程.采用牛顿-拉弗森迭代法数值求解壁板的热屈曲变形,分析超声速气流对热屈曲变形的影响机理.在壁板热过屈曲的静力平衡位置分析动态稳定性,确定了壁板的颤振边界.研究表明,当陶瓷-金属功能梯度壁板的组份材料沿厚度方向梯度分布时,会破坏结构的对称性导致壁板在面内热应力作用下发生指向金属侧的热屈曲变形.超声速气流中壁板热屈曲变形最大的位置随气流速压增大向下游推移,并伴随屈曲变形量的减小.热过屈曲壁板的几何非线性效应会提高壁板的颤振边界,这种影响在高温、低无量纲速压且壁板发生大挠度热屈曲变形时表现显著.较高无量纲气流速压下由于壁板的热屈曲变形被气动力限定在小挠度范围,几何非线性效应不明显.      

磁场对双扩散液层热毛细对流的影响

通过数值模拟的方法对磁场作用下的双扩散液层热毛细对流进行了研究, 模型中同时考虑了热毛细效应和溶质毛细效应的存在. 研究结果显示, 外部磁场能够有效削弱液层内热毛细对流的强度, 改变热毛细对流的对流结构; 随着磁场强度的增大, 液层内热毛细对流的对流强度逐渐减小, 热质传递过程中扩散效应逐渐得到增强; 最终, 溶质浓度沿水平方向呈梯度分布. 因此, 当磁场强度足够大时能够实现晶体生长中所需的纯扩散条件.     

SiC/A1梯度功能材料在机械载荷及热载下的应变测试

梯度功能材料是基于一种全新的材料设计概念而开发的新型功能材料。陶瓷-金属FGM的主要结构特点是各梯度层由不同体积浓度的陶瓷和金属组成,材料在升温和降温过程中宏观梯度层间产生热应力,每一梯度层中细观增强相和基体的热物性失配将产生单层热应力,从而导致材料整体的破坏。采用云纹干涉法,对具有四个梯度层的SiC/A1梯度功能材料分别在机载、热载及两者共同作用下进行了应变测试,分别得到了这三种情况下每梯度层同一位置的纵向应变,横向应变和剪应变值。     

功能梯度矩形厚板的三维热弹性分析

直接从三维热弹性力学基本方程出发，通过引入两个位移函数和两个应力函数，导出了一个二阶的齐次状态方程和一个四阶的非齐次状态方程。分析中采用了层合近似模型，即将板划分成厚度足够小的若干薄层，从面可将每一层内的材料常数近似为常数。给出了任意厚度的四边简支横观各向同性功能梯度矩形板的热弹性分析，特别当板较薄时，与薄板理论进行了数值对比，发现两者结果吻合很好。最后研究了材料梯度指标对热弹性场的影响，结果显示梯度指标对热应力和位移都有着显著的作用：在不同的区间，梯度指标对它们有不同的影响；并且在同一区间，梯度指标对两者的影响程度也有所不同。     

高超声速飞行器气动热关联换算方法研究

气动热风洞实验是地面研究和预测飞行器气动热环境的重要手段之一, 但由于风洞实验模拟能力的限制, 风洞实验的流场参数和模型的几何尺度都会与实际飞行情况存在一定的差别, 导致地面风洞实验中得到的模型表面气动加热率数据无法直接用于飞行条件下的热环境预测和热防护设计. 以往通过针对具体飞行器的试验结果进行数据拟合后外插的气动热关联换算方法指向性较强, 没有考虑到气动热的具体影响参数, 存在一定局限性, 难以外推应用于其他外形的飞行器. 为解决通过气动热风洞实验数据外推预测飞行条件下气动热的技术难题, 基于无量纲NS方程和边界层理论分析研究了影响气动热的主要参数, 并通过推导化简边界层近似解热流公式, 针对层流流态建立了气动热关联换算方法, 可以考虑当地边界层外缘参数的影响, 具有一定通用性. 在此基础上, 利用建立的方法将Reentry-F飞行器缩比模型的风洞实验数据换算到该飞行器飞行条件下的典型工况, 并与飞行测量结果进行了比较, 外推预测结果与飞行测量结果符合较好, 表明建立的关联方法可以用于气动热风洞实验数据的外推换算.      

金属冲击温度测量的理论问题——界面温度梯度对界面温度拟合的影响

像铁这样的不透明材料，其冲击温度的测量会涉及到由测量得到的样品/透明窗口界面的光辐射拟合得到界面温度。在本文中，我们借用信息理论推导得到的热辐射谱的结论，考虑到界面温度梯度对辐射影响时，初步分析金属/透明窗口界面温度的拟合方法，并就这一修正对冲击温度测量中界面温度拟合的影响进行了简单讨论。     

功能梯度材料微梁的热弹性阻尼研究

基于Euler-Bernoulli梁理论和单向耦合的热传导理论,研究了功能梯度材料(functionally graded material,FGM)微梁的热弹性阻尼(thermoelastic damping,TED).假设矩形截面微梁的材料性质沿厚度方向按幂函数连续变化,忽略了温度梯度在轴向的变化,建立了单向耦合的变系数一维热传导方程.热力耦合的横向自由振动微分方程由经典梁理论获得.采用分层均匀化方法将变系数的热传导方程简化为一系列在各分层内定义的常系数微分方程,利用上下表面的绝热边界条件和界面处的连续性条件获得了微梁温度场的分层解析解.将温度场代入微梁的运动方程,获得了包含热弹性阻尼的复频率,进而求得了代表热弹性阻尼的逆品质因子.在给定金属-陶瓷功能梯度材料后,通过数值计算结果定量分析了材料梯度指数、频率阶数、几何尺寸以及边界条件对TED的影响.结果表明:(1)若梁长固定不变,梁厚度小于某个数值时,改变陶瓷材料体积分数可以使得TED取得最小值;(2)固有频率阶数对TED的最大值没有影响,但是频率阶数越高对应的临界厚度越小;(3)不同的边界条件对应的TED的最大值相同,但是随着支座约束刚度增大对应的临界厚度减小;(4)TED的最大值和对应的临界厚度随着金属组分的增大而增大.     

Effect of Thermal Modulation on the Onset of Convection in a Viscoelastic Fluid Saturated Porous Layer

The effect of thermal modulation on the onset of convection in a horizontal, anisotropic porous layer saturated by a viscoelastic fluid is investigated by a linear stability analysis. Darcy’s law with viscoelastic correction is used to describe the fluid motion. The perturbation method is used to find the critical Rayleigh number and the corresponding wavenumber for small amplitude thermal modulation. The stability of the system characterized by a correction Rayleigh number is calculated as a function of the thermal and mechanical anisotropy parameters, the viscoelastic parameters and the frequency of modulation. It is found that the onset of convection can be delayed or advanced by the factors represented by these parameters. The results of the problem have possible implications in mantle convection.     

考虑瞬态效应的承载隔热多功能结构拓扑优化

同时满足承载和隔热要求的多功能结构在高超飞行器热防护结构设计中倍受关注.实际隔热材料通常承载能力弱,而高承载材料隔热性能差,如何在有限空间内协同结构的承载与隔热成为关键问题.高超飞行器气动加热时间有限,存在加热时间短、热荷载变化大的特点.因此结构设计需要考虑时间因素和瞬态效应,而现有稳态传热与承载的多功能协同优化设计模...     

Dynamic thermal shock in a layered cylinder with initial interface pressure

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｂｌｅｍｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｔｒｅｎｇｔｈｉｓａｎｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍ．Ａｆｔｅｒｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇｓｏｍｅｐａｐｅｒｓ,ｗｅｃａｎｋｎｏｗｔｈａｔｔｈｉｓｓｕｂｊｅｃｔｈａｓｂｅｅｎｓｔｕｄｉｅｄｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙｂｙｓｅｖｅｒａｌａｕｔｈｏｒｓ［１～７］．Ｔｈｅｉｒｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｏｎｌｙｂａｓｅｄｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｎａｌａｙｅｒｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇ…     

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。     

特定方向"零膨胀"的最小柔顺性结构优化设计

工程中很多承载结构必须面对苛刻的温度变化工作环境,如卫星天线、太空照相机和电子器件等。剧烈的温度变化引起较大的热变形,造成仪器信号失真,精度下降;同时温度应力也会造成结构破坏甚至失效,因此零膨胀材料的研制备受关注。近年来国内外很多学者对此进行了研究,设计出具有特定等效膨胀系数的微结构,但考虑到制备工艺的限制,这类具有复杂微结构的材料制备起来比较困难,成本较高;同时这类材料一般不具备足够的刚度,难以满足承载性能的要求。本文基于结构优化设计技术,采用拓扑优化方法直接设计出具备较高的承载性能和特定方向变形较少受热载荷影响的结构。本文提出采用多目标优化的方法设计圆环结构,使其具有较高的刚度和在热载荷下圆环内表面具有较好的热几何稳定性。由于用单相材料无法同时满足高刚度和低热膨胀的要求,因此假设结构由两种不同的材料构成,用连续体拓扑优化的方法设计三相材料(两种实体材料MAT-I、MAT-II和空材料)在设计域上的最优分布,使结构满足设计要求。由对称性,设计域取为圆环的一个扇面,将设计域离散成有限元网格,每个单元具有两个设计变量:实体材料的体分比和MAT-I在实体材料中所占的体分比,采用伴随法进行灵敏度分析,用GCMMA方法求解此问题,采用体积守恒的Heaviside密度过滤函数保证获得清晰的最优拓扑构型以及避免棋盘格式的出现。通过两个数值算例,表明使用本文提出的多目标优化模型能够得到特定方向"零膨胀"同时具有一定刚度的结构设计,且这种宏观结构尺度上的两种材料组成的拓扑构型相对易于制造。     

Experimental investigation of high temperature thermal contact resistance with interface material

Thermal contact resistance plays a very important role in heat transfer efficiency and thermomechanical coupling response between two materials, and a common method to reduce the thermal contact resistance is to fill a soft interface material between these two materials. A testing system of high temperature thermal contact resistance based on INSTRON 8874 is established in the present paper, which can achieve 600°C at the interface. Based on this system, the thermal contact resistance between superalloy GH600 material and three-dimensional braid C/C composite material is experimentally investigated, under different interface pressures, interface roughnesses and temperatures, respectively. At the same time, the mechanism of reducing the thermal contact resistance with carbon fiber sheet as interface material is experimentally investigated. Results show that the present testing system is feasible in the experimental research of high temperature thermal contact resistance.     

高温下钢管自密实混凝土界面接触热阻试验研究

钢管混凝土结构的火灾性能研究通常要考虑钢管和混凝土的界面接触热阻问题,本文对钢管自密实混凝土柱的界面接触热阻进行了试验研究。制作了8个钢管自密实混凝土柱,依据Fourier定律和Newton冷却定律得到了钢管混凝土界面接触热阻的求解方法。利用有限元和多项式拟合外推得到界面温度,得出钢管混凝土接触热阻随着钢管界面温度的变化规律。试验结果表明,未受载的钢管自密实混凝土界面接触热阻平均值范围在0.002~0.01m2·K/W,与其他文献结果相比有一定可靠性。     

线圈隔热层对光纤陀螺温度误差的影响分析

针对温度变化所引起的光纤陀螺非互易相移误差,详细研究了隔热材料对减小热漂移误差的作用,并详细比较了使用不同厚度隔热层的光纤陀螺在相同变温历程下的热漂移误差大小以及达到热平衡状态所需的时间。仿真结果表明,当隔热层的厚度由0mm变化到4mm的过程中,热漂移误差的峰值由0.12(°)/h降低到了0.08(°)/h,同时达到热平衡的时间从2 520 s增加到了3 600 s。利用该仿真结果,可以在保证热启动时间满足条件的前提下找到一个最优的隔热层厚度,从而使热漂移误差的峰值最小。     

Study on the thermal protection performance of superalloy honeycomb panels in high-speed thermal shock environments

The thermal protection performance of superalloy honeycomb structure in high-temperature environments are important for thermal protection design of high-speed aircrafts. By using a self-developed transient aerodynamic thermal simulation system, the thermal protection performance of superalloy honeycomb panel was tested in this paper at different transient heating rates ranging from 5°C/s to 30°C/s, with the maximum instantaneous temperature reaching 950°C. Furthermore, the thermal protection performance of superalloy honeycomb structure under simulated thermal environments was computed for different high heating rates by using 3D finite element method, and a comparison between calculational and experimental results was carried out. The results of this research provide an important reference for the design of thermal protection systems comprising superalloy honeycomb panel.