陶瓷基防隔熱結(jié)構(gòu)高溫環(huán)境振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究及模型修正.pdf

1、應(yīng)高超聲速飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究的需求，本文展開(kāi)了對(duì)一體化的陶瓷基復(fù)合材料飛行器防隔熱結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下的振動(dòng)特性的研究。主要針對(duì)該類結(jié)構(gòu)在高溫及大梯度的熱環(huán)境中的固有頻率及阻尼特性展開(kāi)研究，旨在理解熱環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性的影響機(jī)制，得到在高溫大梯度的熱環(huán)境中的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的行之有效的估算方法，進(jìn)而為其他相關(guān)問(wèn)題研究以及降低研發(fā)成本盡一點(diǎn)力量。本文對(duì)陶瓷基防隔熱結(jié)構(gòu)及防隔熱承力一體化復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)值仿真的方法研究了高溫環(huán)境

2、的固有頻率，阻尼特性。探索這類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)高溫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法，研究該類結(jié)構(gòu)高溫環(huán)境動(dòng)力學(xué)模型修正方法。
　　首先，開(kāi)展對(duì)高性能防隔熱結(jié)構(gòu)及防隔熱承力一體化結(jié)構(gòu)熱環(huán)境下振動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究。進(jìn)行了模擬實(shí)際飛行工況的高溫大梯度環(huán)境下的結(jié)構(gòu)固有頻率受影響情況的研究。由于高溫和大梯度環(huán)境下結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力對(duì)邊界條件比較敏感，因此對(duì)于不同邊界條件的工況分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分別給出了自由及固定邊界條件的結(jié)構(gòu)固有頻率受溫度環(huán)境影響情況及其物理機(jī)制。

3、　　然后，對(duì)陶瓷基復(fù)合材料及金屬構(gòu)成的復(fù)合板結(jié)構(gòu)在高溫大梯度環(huán)境中展開(kāi)了阻尼特性的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際工況對(duì)試驗(yàn)件開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，由于阻尼特性的測(cè)試方法大多具有較大的離散性，因此實(shí)驗(yàn)工況保持了高度的一致性，并進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)以消除不確定因素造成的阻尼測(cè)量誤差。
　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際得到的情況，結(jié)合熱結(jié)構(gòu)問(wèn)題的理論研究，開(kāi)展對(duì)熱環(huán)境下復(fù)合板結(jié)構(gòu)固有頻率影響情況及其機(jī)制的研究，得到了在不同邊界條件下的復(fù)合板的固有頻率特性受溫度影響的規(guī)律，分析了實(shí)

4、驗(yàn)中熱應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率特性的影響，給出了研究該類結(jié)構(gòu)的有限元模型，并根據(jù)該有限元模型得到較為合理的振動(dòng)特性計(jì)算結(jié)果，為更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計(jì)算奠定基礎(chǔ)。
　　根據(jù)黏性阻尼模型，給出了帶有待定系數(shù)的估計(jì)高溫環(huán)境模態(tài)阻尼比的計(jì)算公式，通過(guò)四邊固支邊界條件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果用線性回歸方法確定了計(jì)算公式中的待定系數(shù)，分析了高溫環(huán)境阻尼比估算經(jīng)驗(yàn)公式的適用條件，證明該經(jīng)驗(yàn)公式具有較大的適用范圍，并通過(guò)單邊固支實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果證明該經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于估計(jì)該類陶

5、瓷基復(fù)合板結(jié)構(gòu)沿法線方向存在溫度梯度情況下的彎曲模態(tài)阻尼比具有非常高的精確性，對(duì)于扭轉(zhuǎn)模態(tài)及其他含有扭轉(zhuǎn)振型的耦合模態(tài)精確性次之。使用給出的經(jīng)驗(yàn)公式利用有限元計(jì)算得到的頻率結(jié)果進(jìn)行對(duì)高溫環(huán)境阻尼比的估算，得到了非常好的結(jié)果，證明該經(jīng)驗(yàn)公式能夠利用有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)高溫環(huán)境的阻尼比進(jìn)行有效的估計(jì)，大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)研究所需要消耗的人力物力。
　　針對(duì)本文所研究結(jié)構(gòu)，開(kāi)展了有限元計(jì)算方法的模型修正工作，首先對(duì)常溫模型進(jìn)行基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的參數(shù)修

6、正，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展高溫環(huán)境振動(dòng)特性計(jì)算的模型修正方法研究，考慮熱應(yīng)力對(duì)邊界條件的敏感性，對(duì)此展開(kāi)了熱應(yīng)力附加剛度陣的修正方法研究?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了一種基于優(yōu)化算法的熱應(yīng)力附加剛度陣的模型修正方法。
　　最后，開(kāi)展了熱環(huán)境下結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算的工作。首先進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)動(dòng)響應(yīng)的分析，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，模型對(duì)該類結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下的穩(wěn)態(tài)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果估算較為準(zhǔn)確。然后進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下的結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)響應(yīng)分析，所有動(dòng)響應(yīng)分

7、析中考慮了結(jié)構(gòu)組成材料參數(shù)受溫度影響的改變?cè)斐傻慕Y(jié)構(gòu)剛度陣的改變以及高溫大梯度造成的結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加剛度的影響，并根據(jù)實(shí)際阻尼受溫度影響的研究結(jié)果生成結(jié)構(gòu)阻尼矩陣。
　　綜上，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法研究了陶瓷基防隔熱結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境中的振動(dòng)特性。建立了一套合理的陶瓷基防隔熱結(jié)構(gòu)高溫環(huán)境振動(dòng)特性試驗(yàn)方案，揭示了陶瓷基面板/泡沫夾芯三明治結(jié)構(gòu)以及與金屬承力復(fù)合結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性影響機(jī)制；提出了高溫環(huán)境下適用于各