氣動(dòng)加熱環(huán)境下的結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)分析.pdf

1、結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)是指結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題,即結(jié)構(gòu)固有特性受溫度的影響程度分析。
　　飛行器在高超聲速環(huán)境下飛行時(shí),常常伴隨產(chǎn)生氣動(dòng)加熱等復(fù)雜的現(xiàn)象,且會(huì)引起高焓、中低熱流密度和長(zhǎng)時(shí)間熱動(dòng)態(tài)載荷等流動(dòng)特征,使得飛行環(huán)境嚴(yán)重惡化,給飛行器的結(jié)構(gòu)帶來(lái)重大考驗(yàn);同時(shí),現(xiàn)代飛行器的不斷發(fā)展使得大推重比成為高超聲速飛行器的重要的發(fā)展趨勢(shì),從而使得飛行器上薄壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越多。在氣動(dòng)加熱環(huán)境下,薄壁結(jié)構(gòu)受到的影響更為顯著。氣動(dòng)加熱所產(chǎn)生

2、的高溫常常使得薄壁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性,即固有模態(tài)頻率及振動(dòng)幅度,發(fā)生顯著變化,從而導(dǎo)致薄壁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生失穩(wěn)、高溫蠕變等現(xiàn)象,進(jìn)而危害飛行器的安全飛行。所以薄壁結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)加熱問(wèn)題是制約高超聲速飛行器發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
　　氣動(dòng)加熱對(duì)結(jié)構(gòu)的影響主要表現(xiàn)為其產(chǎn)生的熱流會(huì)使得結(jié)構(gòu)的表面溫度驟然升高,隨著時(shí)間的遞進(jìn),其表面熱流會(huì)逐漸傳遞到結(jié)構(gòu)內(nèi)部,最終使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度升高,從而影響結(jié)構(gòu)整體的動(dòng)力學(xué)性能,主要表現(xiàn)為對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度的影響,即結(jié)構(gòu)剛度在高

3、溫情況下會(huì)產(chǎn)生變化。而結(jié)構(gòu)剛度決定了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性,如振動(dòng)模態(tài)頻率與振動(dòng)幅度等,所以結(jié)構(gòu)剛度的改變就意味著結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的改變。如果氣動(dòng)加熱所產(chǎn)生的熱流使得結(jié)構(gòu)的剛度大幅度降低的話,將會(huì)給飛行器帶來(lái)非常大的危害。
　　熱環(huán)境下的結(jié)構(gòu)熱模態(tài)分析能夠反映熱對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響的程度,是分析氣動(dòng)加熱尤其是長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)氣動(dòng)加熱對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響的重要分析方法。所以為了分析薄壁結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)加熱環(huán)境下的結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)問(wèn)題,需要在氣動(dòng)加熱環(huán)境下對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱

4、模態(tài)分析,并與常溫下結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行對(duì)比,從而預(yù)測(cè)不同熱載荷對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的影響程度。
　　本文首先使用課題組內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的程序模擬了持續(xù)氣動(dòng)加熱環(huán)境,即得到了與真實(shí)環(huán)境比較接近的結(jié)構(gòu)壁面熱流,為結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)問(wèn)題提供了比較真實(shí)的熱載荷,從而使得結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)分析的結(jié)果盡可能地接近真實(shí)情況。其次,在得到結(jié)構(gòu)壁面熱流后,針對(duì)高超聲速飛行器上的典型薄壁結(jié)構(gòu)開(kāi)展了熱模態(tài)計(jì)算研究,分析了結(jié)構(gòu)在冷壁熱流及通過(guò)流-固耦合法解算的熱壁熱流兩種載荷條件下的溫

5、度場(chǎng)及前三階模態(tài)的振動(dòng)幅度與固有頻率的變換情況。最后,分析了三種典型薄壁結(jié)構(gòu)在高超聲速巡航狀態(tài)環(huán)境下的結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)及結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)問(wèn)題。同時(shí),模擬了一個(gè)完整的飛行軌道環(huán)境,并且分析了類彈翼結(jié)構(gòu)在飛行軌道環(huán)境下的溫度場(chǎng)與熱響應(yīng)問(wèn)題。由計(jì)算結(jié)果可知:采用流-固耦合算法解算的熱載荷適用于持續(xù)氣動(dòng)加熱環(huán)境下的結(jié)構(gòu)熱分析及熱模態(tài)分析;在氣動(dòng)加熱環(huán)境下,結(jié)構(gòu)的局部溫度會(huì)有較大的升高,使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力,并且結(jié)構(gòu)的固有頻率隨著結(jié)構(gòu)溫度的升高而逐漸降低。