超聲速飛行器燒蝕與結(jié)構(gòu)熱耦合計(jì)算及氣動(dòng)伺服彈性分析.pdf

1、學(xué)位論文的主要研究問(wèn)題是超聲速飛行器在氣動(dòng)加熱條件下燒蝕防熱層與三維結(jié)構(gòu)的耦合熱傳導(dǎo)分析技術(shù),以及氣動(dòng)-伺服-彈性耦合動(dòng)力學(xué)建模和分析。結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起非定常氣動(dòng)力,而氣動(dòng)力又將影響結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。在熱防護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)下,飛行器結(jié)構(gòu)由于氣動(dòng)加熱所引起的結(jié)構(gòu)變形與結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的變形相比非常有限,因此對(duì)非定常氣動(dòng)力的影響很小。結(jié)構(gòu)小幅振動(dòng)時(shí)對(duì)氣動(dòng)熱的影響可以忽略不計(jì),但是氣動(dòng)加熱引起的結(jié)構(gòu)升溫會(huì)明顯改變飛行器結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài),在最為關(guān)心的動(dòng)氣動(dòng)-

2、彈性問(wèn)題中,為了提高計(jì)算效率,計(jì)算往往在模態(tài)坐標(biāo)下進(jìn)行,因此必須考慮氣動(dòng)加熱對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率和固有模態(tài)的影響。
　　結(jié)構(gòu)瞬態(tài)溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化導(dǎo)致飛行器結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性也隨時(shí)間變化,使得結(jié)構(gòu)成為時(shí)變系統(tǒng),但是由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的周期遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)升溫的特征時(shí)間,因此在較短時(shí)程內(nèi)分析氣動(dòng)-彈性等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題時(shí)可以凝固結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)。將結(jié)構(gòu)近似地作為時(shí)不變系統(tǒng)加以分析,利用該時(shí)程內(nèi)的平均溫度場(chǎng)對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱模態(tài)分析,進(jìn)而利用熱模態(tài)信息進(jìn)行氣動(dòng)-彈

3、性耦合系統(tǒng)建模。由此,可以將非定常氣動(dòng)力、氣動(dòng)加熱和熱防護(hù)、飛行器結(jié)構(gòu)和伺服控制系統(tǒng)之間的多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,在具體求解的時(shí)候分解為兩個(gè)獨(dú)立的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題來(lái)求解:1)燒蝕熱防護(hù)-結(jié)構(gòu)耦合傳熱分析;2)非定常氣動(dòng)力-伺服系統(tǒng)-飛行器結(jié)構(gòu)耦合動(dòng)力學(xué)分析。兩者之間通過(guò)結(jié)構(gòu)熱模態(tài)分析串聯(lián)起來(lái)。
　　學(xué)位論文研究的主要內(nèi)容包括:@21)提出了一種將自行編制用于燒蝕防熱層計(jì)算的程序與大型通用有限元程序相結(jié)合、解決氣動(dòng)加熱作用下帶有燒蝕熱防熱層的

4、復(fù)雜飛行器結(jié)構(gòu)的傳熱和溫度場(chǎng)分析方法,并在工程中得到應(yīng)用。首先針對(duì)碳化型燒蝕材料進(jìn)行研究,根據(jù)其數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)了用于求解移動(dòng)邊界傳熱問(wèn)題的有限差分計(jì)算格式,并對(duì)移動(dòng)邊界問(wèn)題的求解進(jìn)行了驗(yàn)證。以超聲速導(dǎo)彈為研究對(duì)象,為需要進(jìn)行熱防護(hù)的結(jié)構(gòu)表面按結(jié)構(gòu)表面單元加裝一定厚度的防熱層,編寫程序?qū)崿F(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)交換,并通過(guò)交替算法來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者在界面處的熱流平衡和溫度協(xié)調(diào),最終實(shí)現(xiàn)燒蝕防熱層一結(jié)構(gòu)耦合傳熱及溫度場(chǎng)分析,得到了燒蝕層的消耗情況和結(jié)構(gòu)的升溫

5、情況。并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱模態(tài)計(jì)算,分析了結(jié)構(gòu)升溫引起的飛行器模態(tài)頻率的變化。
　　2)提出了一種面向耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的統(tǒng)一的非定常氣動(dòng)力數(shù)學(xué)表達(dá)式,分別將結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的非定常氣動(dòng)力和伺服控制面偏轉(zhuǎn)引起的控制力進(jìn)行等效變換,將其表示成這種統(tǒng)一的數(shù)學(xué)形式,并通過(guò)引入輔助變量將這一形式的氣動(dòng)力模型轉(zhuǎn)換成與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程一致的二階常微分的形式,作為結(jié)構(gòu)質(zhì)量、阻尼和剛度的附加項(xiàng),便于在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)框架下進(jìn)行非定常氣動(dòng)力-伺服系統(tǒng)-彈性結(jié)構(gòu)相互耦

6、合情況下的動(dòng)穩(wěn)定性分析,即氣動(dòng)-伺服-彈性穩(wěn)定性分析。首先以一大展弦比機(jī)翼顫振邊界計(jì)算作為驗(yàn)證算例,氣動(dòng)力計(jì)算采用經(jīng)典的Theodorsen模型,驗(yàn)證了這種方法的可行性;再以帶伺服控制系統(tǒng)的超聲速飛行器作為研究對(duì)象,氣動(dòng)力用當(dāng)?shù)亓骰钊碚撚?jì)算。將伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)做類似的等效變換,將控制面偏轉(zhuǎn)引起的氣動(dòng)力同樣用上述統(tǒng)一的氣動(dòng)力模型表示,建立了氣動(dòng)一伺服-彈性耦合的新模型實(shí)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)框架內(nèi)通過(guò)特征值求解來(lái)進(jìn)行氣動(dòng)-伺服-彈性穩(wěn)定性分析