超聲速飛行器燒蝕與結構熱耦合計算及氣動伺服彈性分析.pdf

1、學位論文的主要研究問題是超聲速飛行器在氣動加熱條件下燒蝕防熱層與三維結構的耦合熱傳導分析技術,以及氣動-伺服-彈性耦合動力學建模和分析。結構振動引起非定常氣動力,而氣動力又將影響結構的運動。在熱防護系統(tǒng)的保護下,飛行器結構由于氣動加熱所引起的結構變形與結構振動引起的變形相比非常有限,因此對非定常氣動力的影響很小。結構小幅振動時對氣動熱的影響可以忽略不計,但是氣動加熱引起的結構升溫會明顯改變飛行器結構的固有頻率和模態(tài),在最為關心的動氣動-

2、彈性問題中,為了提高計算效率,計算往往在模態(tài)坐標下進行,因此必須考慮氣動加熱對結構固有頻率和固有模態(tài)的影響。
　　結構瞬態(tài)溫度場隨時間的變化導致飛行器結構動力學特性也隨時間變化,使得結構成為時變系統(tǒng),但是由于結構振動的周期遠小于結構升溫的特征時間,因此在較短時程內分析氣動-彈性等結構動力學問題時可以凝固結構溫度場。將結構近似地作為時不變系統(tǒng)加以分析,利用該時程內的平均溫度場對飛行器結構進行熱模態(tài)分析,進而利用熱模態(tài)信息進行氣動-彈

3、性耦合系統(tǒng)建模。由此,可以將非定常氣動力、氣動加熱和熱防護、飛行器結構和伺服控制系統(tǒng)之間的多場耦合動力學問題,在具體求解的時候分解為兩個獨立的動力學問題來求解:1)燒蝕熱防護-結構耦合傳熱分析;2)非定常氣動力-伺服系統(tǒng)-飛行器結構耦合動力學分析。兩者之間通過結構熱模態(tài)分析串聯(lián)起來。
　　學位論文研究的主要內容包括:@21)提出了一種將自行編制用于燒蝕防熱層計算的程序與大型通用有限元程序相結合、解決氣動加熱作用下帶有燒蝕熱防熱層的

4、復雜飛行器結構的傳熱和溫度場分析方法,并在工程中得到應用。首先針對碳化型燒蝕材料進行研究,根據(jù)其數(shù)學模型推導了用于求解移動邊界傳熱問題的有限差分計算格式,并對移動邊界問題的求解進行了驗證。以超聲速導彈為研究對象,為需要進行熱防護的結構表面按結構表面單元加裝一定厚度的防熱層,編寫程序實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)交換,并通過交替算法來實現(xiàn)兩者在界面處的熱流平衡和溫度協(xié)調,最終實現(xiàn)燒蝕防熱層一結構耦合傳熱及溫度場分析,得到了燒蝕層的消耗情況和結構的升溫

5、情況。并對結構進行熱模態(tài)計算,分析了結構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)一的非定常氣動力數(shù)學表達式,分別將結構振動引起的非定常氣動力和伺服控制面偏轉引起的控制力進行等效變換,將其表示成這種統(tǒng)一的數(shù)學形式,并通過引入輔助變量將這一形式的氣動力模型轉換成與結構動力學方程一致的二階常微分的形式,作為結構質量、阻尼和剛度的附加項,便于在結構動力學框架下進行非定常氣動力-伺服系統(tǒng)-彈性結構相互耦

6、合情況下的動穩(wěn)定性分析,即氣動-伺服-彈性穩(wěn)定性分析。首先以一大展弦比機翼顫振邊界計算作為驗證算例,氣動力計算采用經(jīng)典的Theodorsen模型,驗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象,氣動力用當?shù)亓骰钊碚撚嬎恪⑺欧到y(tǒng)的傳遞函數(shù)做類似的等效變換,將控制面偏轉引起的氣動力同樣用上述統(tǒng)一的氣動力模型表示,建立了氣動一伺服-彈性耦合的新模型實現(xiàn)在結構動力學框架內通過特征值求解來進行氣動-伺服-彈性穩(wěn)定性分析