氣動加熱環(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)境下的動力學(xué)響應(yīng)問題,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,常常伴隨產(chǎn)生氣動加熱等復(fù)雜的現(xiàn)象,且會引起高焓、中低熱流密度和長時間熱動態(tài)載荷等流動特征,使得飛行環(huán)境嚴(yán)重惡化,給飛行器的結(jié)構(gòu)帶來重大考驗;同時,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,從而使得飛行器上薄壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越多。在氣動加熱環(huán)境下,薄壁結(jié)構(gòu)受到的影響更為顯著。氣動加熱所產(chǎn)生

2、的高溫常常使得薄壁結(jié)構(gòu)的振動特性,即固有模態(tài)頻率及振動幅度,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)的氣動加熱問題是制約高超聲速飛行器發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。
　　氣動加熱對結(jié)構(gòu)的影響主要表現(xiàn)為其產(chǎn)生的熱流會使得結(jié)構(gòu)的表面溫度驟然升高,隨著時間的遞進(jìn),其表面熱流會逐漸傳遞到結(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)整體的動力學(xué)性能,主要表現(xiàn)為對結(jié)構(gòu)的剛度的影響,即結(jié)構(gòu)剛度在高

3、溫情況下會產(chǎn)生變化。而結(jié)構(gòu)剛度決定了結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性,如振動模態(tài)頻率與振動幅度等,所以結(jié)構(gòu)剛度的改變就意味著結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能的改變。如果氣動加熱所產(chǎn)生的熱流使得結(jié)構(gòu)的剛度大幅度降低的話,將會給飛行器帶來非常大的危害。
　　熱環(huán)境下的結(jié)構(gòu)熱模態(tài)分析能夠反映熱對結(jié)構(gòu)性能影響的程度,是分析氣動加熱尤其是長時間持續(xù)氣動加熱對結(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)在氣動加熱環(huán)境下的結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)問題,需要在氣動加熱環(huán)境下對薄壁結(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)行對比,從而預(yù)測不同熱載荷對結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的影響程度。
　　本文首先使用課題組內(nèi)自主開發(fā)的程序模擬了持續(xù)氣動加熱環(huán)境,即得到了與真實環(huán)境比較接近的結(jié)構(gòu)壁面熱流,為結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)問題提供了比較真實的熱載荷,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情況。其次,在得到結(jié)構(gòu)壁面熱流后,針對高超聲速飛行器上的典型薄壁結(jié)構(gòu)開展了熱模態(tài)計算研究,分析了結(jié)構(gòu)在冷壁熱流及通過流-固耦合法解算的熱壁熱流兩種載荷條件下的溫

5、度場及前三階模態(tài)的振動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)溫度場及結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)問題。同時,模擬了一個完整的飛行軌道環(huán)境,并且分析了類彈翼結(jié)構(gòu)在飛行軌道環(huán)境下的溫度場與熱響應(yīng)問題。由計算結(jié)果可知:采用流-固耦合算法解算的熱載荷適用于持續(xù)氣動加熱環(huán)境下的結(jié)構(gòu)熱分析及熱模態(tài)分析;在氣動加熱環(huán)境下,結(jié)構(gòu)的局部溫度會有較大的升高,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。