復(fù)合材料結(jié)構(gòu)隨機振動的虛擬激勵法及在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用.pdf

1、纖維增強樹脂基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)具有比強度高、比剛度大、阻尼特性好、疲勞壽命長、結(jié)構(gòu)可設(shè)計性強等優(yōu)點，在航空、航天及一些特殊領(lǐng)域中被廣泛使用。然而，復(fù)合材料的各向異性，非均勻性等特點給復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析帶來了一系列的挑戰(zhàn)。尤其在航空航天領(lǐng)域，飛行器在運行過程中所處的環(huán)境和所受的載荷都非常復(fù)雜。除了考慮飛行器在這些復(fù)雜環(huán)境下的自振特性和確定性外載作用下的動力響應(yīng)外，考慮隨機性外載的影響也不容忽視。隨機振動理論和方法就是處理這類問題的先進

2、思想和重要手段，但在國內(nèi)外航空航天領(lǐng)域中還很少實際應(yīng)用，主要原因之一就是現(xiàn)有隨機振動分析方法復(fù)雜而且低效，這在很大程度上限制了飛行器設(shè)計水平的提高。虛擬激勵法是高效精確的隨機振動分析方法，迄今已經(jīng)在大跨度結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)，海洋平臺和汽車隨機振動等多個工程領(lǐng)域被數(shù)以百計的專家針對各工程領(lǐng)域的特點予以發(fā)展而取得很多實際成效。但是迄今為止，這一有力的工具卻并未在航空航天領(lǐng)域被充分認識和應(yīng)用，在這些具有戰(zhàn)略意義的重要領(lǐng)域中，所應(yīng)用的隨機振動分析方

3、法依然復(fù)雜低效，缺乏創(chuàng)新意識。本論文針對這一現(xiàn)狀，依據(jù)航空航天領(lǐng)域材料和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以及飛行器所處環(huán)境的復(fù)雜性，將虛擬激勵法作了有針對性的發(fā)展，以完全自主版權(quán)的DDJ有限元程序系統(tǒng)為開發(fā)平臺，完成了求解復(fù)合材料結(jié)構(gòu)隨機振動的高效精確分析程序。本論文中，著重對如下問題進行了研究： 1．建立了基于Mindlin一階剪切變形理論的復(fù)合材料層合板有限元分析模型，推導(dǎo)了層合板的有限元列式，在DDJ程序平臺上對復(fù)合材料層合板的自振頻率和模

4、態(tài)進行了分析。將虛擬激勵法引入到航空航天領(lǐng)域廣泛使用的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的隨機振動分析中，針對復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型和非經(jīng)典阻尼體系，發(fā)展了包含全部參振振型和隨機激勵點之間耦合項的隨機振動高效求解方法，比較圓滿地解決了傳統(tǒng)計算方法精度差、效率低的應(yīng)用障礙。 2．本文推廣虛擬激勵法于敷設(shè)粘彈性阻尼層的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)和非平穩(wěn)隨機振動分析，建立了高效精確計算方法。尤其是綜合考慮了粘彈性阻尼材料的性能參數(shù)隨頻率變化的特點以及

5、復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)本身的模態(tài)阻尼，建立了組合系統(tǒng)的非經(jīng)典阻尼表達。為了解決隨頻率變化的非經(jīng)典阻尼體系的平穩(wěn)/非平穩(wěn)隨機響應(yīng)，本文結(jié)合精細積分方法提出了一種直接解法，只需用原系統(tǒng)的實模態(tài)對虛擬激勵法做出相應(yīng)的發(fā)展，就可精確地求解頻變阻尼系統(tǒng)的隨機振動。據(jù)此對飛機水平尾翼的復(fù)合材料安定面結(jié)構(gòu)進行了模擬研究，從精細的計算模型及合理的計算結(jié)果可以看出，本文所提出的方法對于這類相當(dāng)復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的隨機振動分析十分有效。 3．研究飛機對大

6、氣紊流響應(yīng)的主要方法是隨機振動功率譜法。用高效、精確的分析方法計算不同飛行環(huán)境下飛機的響應(yīng)，以預(yù)測飛機疲勞壽命和可靠度等是航空工程領(lǐng)域研究熱點。本文在考慮了二維平面流中簡諧振動平板產(chǎn)生的非定常力基礎(chǔ)上，又按照虛擬激勵法的特點同時考慮了豎向簡諧風(fēng)的影響，進而研究了復(fù)合材料二維機翼的大氣紊流響應(yīng)。隨機激勵譜選用了Dryden紊流頻譜模型。結(jié)果表明，在處理二維機翼在大氣紊流響應(yīng)的隨機問題中，基于簡諧響應(yīng)分析的虛擬激勵法不但是精確算法，而且效率

7、非常高，具有很大的實用優(yōu)勢。發(fā)展這一方法對于該領(lǐng)域的數(shù)值計算是很有價值的。 4．計算流體動力學(xué)(CFD)是研究流體動力學(xué)的有力工具。本文為計算機翼顫振/抖陣分析中的氣動參數(shù)，首次使用雷諾平均湍流模型對二維翼型截面的顫振導(dǎo)數(shù)進行了求解?；贒.K.Sun等最新提出的CFD網(wǎng)格控制算法以及所建立的數(shù)值風(fēng)洞，計算了結(jié)構(gòu)簡諧運動下的氣動力，并識別了湍流場中NACA0012翼型的顫振導(dǎo)數(shù)。將由此得到的顫振導(dǎo)數(shù)和氣動力應(yīng)用到大氣紊流引起的隨

8、機振動計算中，并將計算結(jié)果與基于Theodorsen函數(shù)得出的響應(yīng)解析解進行比較，得到了相當(dāng)滿意的一致。 本文計算的CFD氣動參數(shù)充分考慮了氣體的分子粘性和紊流粘性，其作用相當(dāng)于附加阻尼，因此比Theodosen函數(shù)方法限制更少、應(yīng)用范圍更廣，而且在此基礎(chǔ)上還可以考慮三維流和可壓縮性。因此本文實施的基于CFD的氣動力計算方法具有廣闊的應(yīng)用前景，將成為應(yīng)用虛擬激勵法于航空航天結(jié)構(gòu)時確定氣動參數(shù)的有力工具?？梢哉f，這一成功的嘗試為隨