熱環(huán)境下飛行器結(jié)構(gòu)聲振耦合行為研究結(jié)題摘要

高超聲速飛行器是航空航天領(lǐng)域最重要的戰(zhàn)略發(fā)展方向之一，對國家安全、國民經(jīng)濟(jì)有著不可估量的重要意義。由高超聲速飛行引起的嚴(yán)酷氣動加熱、超強(qiáng)氣動噪聲及復(fù)雜機(jī)體振動等超常環(huán)境中，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。 本項(xiàng)目針對高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)在超常環(huán)境下聲振特性行為問題，展開數(shù)值、理論、實(shí)驗(yàn)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，揭示熱環(huán)境對結(jié)構(gòu)聲振特性的影響規(guī)律，為高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。 開展了熱環(huán)境下結(jié)構(gòu)聲振數(shù)值分析研究，探索熱環(huán)境引起材料屬性變化、熱應(yīng)力對結(jié)構(gòu)聲振耦合動力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律。針對低、中、高頻聲振問題對數(shù)值方法的要求不同，建立了熱環(huán)境下結(jié)構(gòu)聲振分析的有限元方法，及混合有限元-統(tǒng)計(jì)能量分析方法，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)低頻、寬頻的聲振動力學(xué)響應(yīng)數(shù)值分析。 開展了熱環(huán)境下典型結(jié)構(gòu)的理論分析研究，探索熱環(huán)境引起結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力對結(jié)構(gòu)聲振特性的影響機(jī)理。建立各向同性薄板在均勻熱載下的動態(tài)方程，分析熱環(huán)境下振動及聲輻射特性變化；在此基礎(chǔ)上，考慮橫向剪切效應(yīng)和轉(zhuǎn)動慣量效應(yīng)，基于厚板理論建立了夾層板的振動控制方程。此外，對正交各向異性層合板及無限長層合圓柱殼在濕環(huán)境下的振動及聲輻射響應(yīng)展開了研究。 建立了受熱固支各向同性板的測試系統(tǒng)，開展了熱環(huán)境下結(jié)構(gòu)的聲振實(shí)驗(yàn)研究。對試件在不同溫度下進(jìn)行模態(tài)測試，并對其在聲激勵(lì)和機(jī)械激勵(lì)作用下的振動響應(yīng)及聲輻射特性進(jìn)行測試；從實(shí)驗(yàn)角度分析熱環(huán)境對結(jié)構(gòu)聲振動態(tài)特性的影響。 在熱環(huán)境下結(jié)構(gòu)聲振分析基礎(chǔ)上，開展結(jié)構(gòu)最優(yōu)化拓?fù)湓O(shè)計(jì)研究?？紤]設(shè)計(jì)變量—熱應(yīng)力—聲振特性間的復(fù)雜關(guān)系，建立了熱環(huán)境下結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。以振動響應(yīng)或輻射聲功率為目標(biāo)函數(shù)，考察均勻溫升環(huán)境中結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化問題，揭示了熱應(yīng)力對結(jié)構(gòu)聲振拓?fù)鋬?yōu)化的影響規(guī)律。 綜上，本項(xiàng)目針對高超聲速飛行器在高溫高聲強(qiáng)環(huán)境中基本動態(tài)特性，展開了較為系統(tǒng)的研究，對高超聲速飛行器設(shè)計(jì)具有重要意義。 2100433B

針對近空間高超聲速飛行器服役嚴(yán)重氣動加熱的超常環(huán)境下飛行器結(jié)構(gòu)聲-振耦合行為問題，本項(xiàng)目擬研究結(jié)構(gòu)熱-聲-振耦合理論、建立數(shù)值模擬方法并開發(fā)相應(yīng)的計(jì)算程序，由數(shù)值計(jì)算獲得熱環(huán)境下結(jié)構(gòu)熱-聲-振耦合動力學(xué)響應(yīng)。.根據(jù)飛行器結(jié)構(gòu)嚴(yán)峻氣動加熱所產(chǎn)生的高溫度梯度特點(diǎn)，擬將熱環(huán)境產(chǎn)生的熱效應(yīng)分解為材料熱效應(yīng)、結(jié)構(gòu)（熱應(yīng)力、熱變形）熱效應(yīng)，研究對結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律。材料熱效應(yīng)以考慮材料力學(xué)特性隨溫度的變化；結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力效應(yīng)主要考慮應(yīng)力剛化引起的模態(tài)變化；結(jié)構(gòu)熱變形效應(yīng)擬研究結(jié)構(gòu)本身形狀改變引起的結(jié)構(gòu)剛度及質(zhì)量的變化。.揭示上述三種熱效應(yīng)對飛行器結(jié)構(gòu)熱-聲-振耦合動力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律，并找出熱環(huán)境影響飛行器結(jié)構(gòu)多場耦合響應(yīng)的主要因素，為近空間高超聲速飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

所謂復(fù)雜結(jié)構(gòu)是指構(gòu)型復(fù)雜、由多種材料組成、工作環(huán)境復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如飛行器的發(fā)動機(jī)燃燒室就屬這類結(jié)構(gòu)。為了減輕質(zhì)量，增加內(nèi)部空間，提高飛行器的服役能力，燃燒室多采用薄壁結(jié)構(gòu)，其材料參數(shù)非單一，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜。在加熱過程中，由于燃燒室不同位置處受熱的情況不同，因此在其表面會產(chǎn)生較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)一步影響其動力學(xué)特性。另一方面，燃燒室內(nèi)部的火焰筒結(jié)構(gòu)在溫度場的作用下會產(chǎn)生熱變形，進(jìn)而會影響火焰筒的冷卻與燃燒，溫度升高所產(chǎn)生的熱載荷也會降低結(jié)構(gòu)的橫向剛度，甚至可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的屈曲。因此研究這類結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下的振動特性對于結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性具有重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者圍繞結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下的振動問題從理論和試驗(yàn)等方面開展了諸多研究。針對結(jié)構(gòu)的氣動彈性問題開展了理論研究，期間的許多研究成果成為熱氣動彈性的基礎(chǔ)。從理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬的角度研究了鐵木辛柯梁在熱環(huán)境狀態(tài)下的振動特性，求解過程中考慮了軸向溫度變化以及隨溫度變化的彈性模量的影響。介紹熱環(huán)境下結(jié)構(gòu)的測試方法技巧，并利用鋁板搭建了熱振測試平臺，得到鋁板在熱環(huán)境下動力學(xué)參數(shù)變化的規(guī)律。利用中空翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱環(huán)境下的振動特性研究，得到了高達(dá)900℃熱環(huán)境下結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。研究旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下的振動問題，指出結(jié)構(gòu)的固有頻率同時(shí)受到溫度場和離心剛度的共同影響。針對熱、聲效應(yīng)的共同作用環(huán)境，對壁板顫振問題進(jìn)行研究。圍繞高超聲速中流場-熱-結(jié)構(gòu)耦合的建模、載荷、響應(yīng)等問題進(jìn)行研究。使用有限元建模與分析方法分析再入飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)，包括其熱應(yīng)力、熱震顫等。使用多物理場有限元法對火箭噴嘴在點(diǎn)火階段的結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)問題進(jìn)行研究。圍繞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境中振動問題的研究進(jìn)行得也較多，而針對多種子結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其材料參數(shù)非單一，對其在加熱過程中動力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律的研究稍顯不足。若能基于數(shù)值模擬和試驗(yàn)的方法得到該類復(fù)雜結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下的動力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律，將具有十分重要的意義。研究以沖壓發(fā)動機(jī)的燃燒室為例，首先從理論上分析了影響結(jié)構(gòu)熱剛度矩陣的主要因素。然后從數(shù)值模擬角度研究了不同工況下結(jié)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，重點(diǎn)分析了彈性模量、熱應(yīng)力以及幾何非線性的影響。最后完成了燃燒室熱模態(tài)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與結(jié)果分析，研究了不同工況下結(jié)構(gòu)振型、固有頻率及模態(tài)阻尼隨溫度的變化規(guī)律，并驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可行性。

熱振理論基礎(chǔ)

（1）熱環(huán)境下的應(yīng)力描述

在已知瞬態(tài)溫度場的基礎(chǔ)上計(jì)算每一時(shí)刻各點(diǎn)的溫度初應(yīng)變ε₀=α（T-T₀），α為熱膨脹系數(shù)。對于彈性體結(jié)構(gòu)，在有約束無法自由熱膨脹或在外載荷作用下會產(chǎn)生應(yīng)變。因此，當(dāng)彈性結(jié)構(gòu)存在初應(yīng)變的情況下，其總應(yīng)變?yōu)闇囟瘸鯌?yīng)變和彈性應(yīng)變兩者之和，即：ε=ε₀ D^-1σ

上式可以改寫為：σ=D（ε-ε₀）

式中：σ為熱應(yīng)力，D為彈性矩陣。

（2）結(jié)構(gòu)熱剛度矩陣的形成

考慮溫度效應(yīng)的情況下，結(jié)構(gòu)初始剛度矩陣主要受兩種狀態(tài)的影響而發(fā)生變化：升溫使得結(jié)構(gòu)材料的彈性模量E發(fā)生變化；結(jié)構(gòu)升溫后內(nèi)部存在的溫度梯度引起了熱應(yīng)力。針對上述兩種狀態(tài)，以飛行器燃燒室結(jié)構(gòu)為例，分析初始剛度矩陣的變化。對于第一種情況，當(dāng)燃燒室所處熱環(huán)境異常嚴(yán)酷，結(jié)構(gòu)表面的溫度值和非均勻性都較高時(shí)，需考慮幾何非線性影響，記升溫后結(jié)構(gòu)的剛度矩陣為：KT=∫B^TD_TBdΩ

式中：B=B_L B_N為幾何矩陣，包括線性和非線性兩個(gè)部分；D_T為與材料彈性模量E和泊松比μ相關(guān)的彈性矩陣，溫度變化時(shí)D_T也相應(yīng)發(fā)生變化。則：K_T=K_L K_N

式中：初始剛度矩陣K_L=∫B_L^TD_TB_LdΩ；幾何非線性剛度矩陣KN=∫ΩB_L^TD_TB_N BN^TD_TB_NdΩ。對于第二種情況，即當(dāng)結(jié)構(gòu)升溫后內(nèi)部存在的溫度梯度引起了熱應(yīng)力時(shí)，需要在結(jié)構(gòu)的剛度矩陣中附加一初始應(yīng)力剛度矩陣。記結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力剛度矩陣為K_σ=-∫G_TгGdΩ，其中G為形函數(shù)矩陣，г為應(yīng)力矩陣。當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性（K_N）時(shí)，結(jié)構(gòu)總的熱剛度矩陣為：K_T=K_L K_N K_σ

（3）考慮溫度效應(yīng)的結(jié)構(gòu)熱模態(tài)分析方法

在穩(wěn)態(tài)溫度場下，無阻尼系統(tǒng)的自由振動方程為Mx Kx=0→(K-ω²M)φ=0

式中：K為熱效應(yīng)下修正的熱剛度矩陣；φ為n階向量；ω為與向量φ對應(yīng)的振動頻率。

熱振數(shù)值模擬

利用有限元分析的方法開展數(shù)值模擬是研究結(jié)構(gòu)熱環(huán)境狀態(tài)下振動特性的有效途徑，此處仍以發(fā)動機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)為例。該發(fā)動機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)主要分為前段、中段、后段三部分，中段和后段主要由內(nèi)外兩層組成，且中段的內(nèi)外層通過復(fù)雜環(huán)狀結(jié)構(gòu)和剛性單元連接而成，各部分的主要材料類型分別為30CrMnSiA，GH4099，TA15。建模過程中采用的單元有殼單元、實(shí)體單元和剛性單元，其有限元模型如圖1所示。

針對要研究的問題，考慮到發(fā)動機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)在試車狀態(tài)下所處的最高溫度不超過600℃，設(shè)計(jì)了5種計(jì)算工況，未加熱模態(tài)和300，400，500，600℃加熱模態(tài)分別對應(yīng)工況1—5。利用商用軟件Abaqus對結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，熱環(huán)境下的模態(tài)計(jì)算需要考慮溫度場以及隨溫度變化的材料參數(shù)，如彈性模量、泊松比、線膨脹系數(shù)等，計(jì)算所用到的材料參數(shù)見表1和表2。在計(jì)算過程中，缺失的一些參數(shù)將根據(jù)計(jì)算的溫度場由軟件自動插值獲取。相比未加熱狀態(tài)模態(tài)計(jì)算，熱模態(tài)計(jì)算的主要過程是根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的溫度場首先求解結(jié)構(gòu)在高溫下的熱應(yīng)力，然后以此熱應(yīng)力為預(yù)應(yīng)力，并結(jié)合隨溫度變化的材料參數(shù)求解結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下的模態(tài)。燃燒室仿真前三階頻率隨溫度變化曲線如圖2所示，可以看出，隨著溫度的升高，前三階的頻率呈現(xiàn)下降趨勢。這主要是由于加熱引起材料的彈性模量下降，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的剛度，使得結(jié)構(gòu)固有頻率下降。未加熱狀態(tài)計(jì)算出來的前三階模態(tài)振型如圖3所示，對所有工況仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，各種工況下的模態(tài)振型均未發(fā)生變化，而發(fā)生變化的主要是模態(tài)頻率。

熱振研究結(jié)論

沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室是一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，分析其熱振特性時(shí)不僅要考慮彈性模量的變化，還要考慮熱應(yīng)力分布以及幾何非線性因素的影響。文中完成了燃燒室結(jié)構(gòu)的數(shù)值模態(tài)分析，并建立了熱振試驗(yàn)平臺，完成了模態(tài)試驗(yàn)分析，主要結(jié)論如下所述。

1）對比數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，燃燒室結(jié)構(gòu)振型及模態(tài)頻率變化規(guī)律具有一致性，表明了實(shí)驗(yàn)有效，數(shù)值模擬正確。

2）對自由-自由狀態(tài)的燃燒室結(jié)構(gòu)，數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，隨著溫度升高，結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率呈下降趨勢。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的模態(tài)阻尼呈升高—下降—升高的趨勢，表明結(jié)構(gòu)的耗能特性受溫度影響。

3）數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，在均勻加熱狀態(tài)下，溫度的變化不影響結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型。對于自由-自由狀態(tài)的燃燒室結(jié)構(gòu)，在加熱的過程中，影響模態(tài)頻率下降的主要因素是彈性模量的變化，熱應(yīng)力分布和幾何非線性的影響可以忽略。

超輕有序多孔結(jié)構(gòu)在高速列車、航空航天、船舶、機(jī)械等工程領(lǐng)域具有廣泛而重要的應(yīng)用，是諸多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重要前沿。研究超輕有序多孔結(jié)構(gòu)的振動、噪聲及其控制，對其工程應(yīng)用至關(guān)重要。然而，與傳統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)相比，超輕多孔結(jié)構(gòu)的構(gòu)型更趨復(fù)雜化和多樣化，對其振動、噪聲與控制的研究面臨新的挑戰(zhàn)，是一個(gè)亟待解決的重要課題。本項(xiàng)目針對超輕有序多孔結(jié)構(gòu)在車輛、飛行器、艦船等典型裝備的應(yīng)用背景，圍繞其聲振特性分析及其低頻減振降噪問題，重點(diǎn)開展了這四個(gè)方面的工作：(1) 超輕有序多孔結(jié)構(gòu)的聲振特性建模研究；(2)超輕有序多孔結(jié)構(gòu)的振動噪聲特性分析研究；(3)超輕有序多孔結(jié)構(gòu)的減振降噪設(shè)計(jì)研究；(4) 超輕有序多孔結(jié)構(gòu)的減振降噪實(shí)驗(yàn)研究。取得的主要?jiǎng)?chuàng)新成果包括： (1) 運(yùn)用波有限元法建立了典型一維、二維超輕有序多孔結(jié)構(gòu)的波傳播與強(qiáng)迫振動分析模型；(2)基于局域共振帶隙原理，提出了超輕有序多孔結(jié)構(gòu)低頻減振降噪設(shè)計(jì)的新方法；(3) 深入揭示了局域共振型周期桿、梁、板結(jié)構(gòu)中的彈性波帶隙調(diào)控規(guī)律和機(jī)理，為超輕有序多孔結(jié)構(gòu)的減振降噪設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)理論?？傊?，本項(xiàng)目的研究成果將有助于認(rèn)識和改進(jìn)超輕有序多孔結(jié)構(gòu)的聲振特性，對其工程應(yīng)用有重要參考價(jià)值。 2100433B

《風(fēng)沙環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)涂層侵蝕力學(xué)行為與損傷評價(jià)研究》是作者及其團(tuán)隊(duì)十余年研究成果的總結(jié)。書中以內(nèi)蒙古中西部地區(qū)風(fēng)沙環(huán)境為研究背景，在較系統(tǒng)地分析了風(fēng)沙環(huán)境特征、鋼結(jié)構(gòu)涂層材料物理和力學(xué)性能的研究基礎(chǔ)上，對鋼結(jié)構(gòu)涂層受風(fēng)沙流粒子沖蝕力學(xué)行為、耐久性損傷機(jī)理及其損傷程度進(jìn)行了研究。全書共分為10章，包括：緒論、內(nèi)蒙占中西部地區(qū)風(fēng)沙環(huán)境特征分析、鋼結(jié)構(gòu)涂層的制備及其物理力學(xué)性能測定、風(fēng)沙沖擊作用下鋼結(jié)構(gòu)涂層及其與基體界面沖蝕磨損理論分析、風(fēng)沙環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖蝕試驗(yàn)研究、風(fēng)沙環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)涂層沖蝕磨損機(jī)理分析、鋼結(jié)構(gòu)涂層受風(fēng)沙環(huán)境沖蝕磨損損傷程度評價(jià)、鋼結(jié)構(gòu)涂層的摩擦學(xué)性能分析、風(fēng)沙流粒子沖擊鋼結(jié)構(gòu)涂層的有限元分析、相似理論及其在風(fēng)沙侵蝕研究中的應(yīng)用。《風(fēng)沙環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)涂層侵蝕力學(xué)行為與損傷評價(jià)研究》可供土木建筑專業(yè)的研究人員、高等院校教師及研究生參考使用。