熱強度分析形成

飛行器高速飛行時，流經(jīng)飛行器表面的氣流由于摩擦等原因受到阻滯,動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?溫度急劇升高，產(chǎn)生氣動加熱現(xiàn)象。氣動加熱與飛行高度有關(guān)，飛行高度越低，空氣密度越大，氣動加熱越嚴(yán)重。例如在30公里高空,當(dāng)飛行馬赫數(shù)為3時,溫度可達300°C左右，飛行速度增加到馬赫數(shù)5時，溫度高達900°C。航天飛機重返大氣層時表面溫度可升到1200°C以上。高溫給飛行器設(shè)計，特別是結(jié)構(gòu)強度帶來嚴(yán)重的問題，技術(shù)上稱為“熱障”。第二次世界大戰(zhàn)末期,德國V-2火箭已遇到這一問題。戰(zhàn)后出現(xiàn)了高速飛機，熱強度的研究更受到人們重視。除氣動加熱外，還有其他熱源，如發(fā)動機的釋熱、太陽輻射、核爆炸時的高溫輻射等，都構(gòu)成熱環(huán)境。

研究結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下承受載荷和耐受熱環(huán)境的能力。研究還包括結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境和載荷作用下的應(yīng)力、變形、穩(wěn)定性、振動等各方面的性態(tài)。熱強度研究是飛行器結(jié)構(gòu)強度學(xué)科中形成較遲的一個方面。它包括熱強度分析和熱強度試驗。

在熱環(huán)境中，結(jié)構(gòu)材料的機械性能明顯下降。由于材料具有熱脹冷縮的特性，受熱結(jié)構(gòu)各部分的熱膨脹受到約束而產(chǎn)生熱應(yīng)力，溫度分布不均勻時尤為嚴(yán)重，使結(jié)構(gòu)承載能力降低。蠕變是熱環(huán)境下的另一個問題，它是一種隨時間發(fā)展的非彈性變形，溫度越高，載荷越大，發(fā)展越快。蠕變也使結(jié)構(gòu)的極限強度降低，容易發(fā)生屈曲。在熱環(huán)境中長期飛行時，由于永久變形的累積,飛行器的氣動外形受到影響。此外,結(jié)構(gòu)的振動頻率與模態(tài)會發(fā)生變化，顫振的臨界速度會降低，結(jié)構(gòu)剛度的減小還會引起變形發(fā)散等其他氣動彈性問題（見氣動彈性力學(xué)）。核爆炸時，在極短的時間內(nèi)，爆炸點附近的飛行器結(jié)構(gòu)受到高熱沖擊，產(chǎn)生類似沖擊力引起的動態(tài)效應(yīng)，同時引起結(jié)構(gòu)表面與內(nèi)部之間極大的溫差，使表面或內(nèi)部形成裂紋,甚至導(dǎo)致立即破壞,這對脆性材料尤為嚴(yán)重。在高溫下，材料的疲勞性能下降。交變載荷和交變溫度使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱疲勞，結(jié)構(gòu)的斷裂特性也會受到嚴(yán)重影響。

首先需要分析熱環(huán)境。氣動加熱計算是根據(jù)飛行狀態(tài)計算飛行器表面氣流的溫度，進而計算結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)，確定結(jié)構(gòu)的溫度場。溫度很高時，熱輻射的影響明顯，也應(yīng)加以考慮。飛行狀態(tài)通常是非穩(wěn)態(tài)的，當(dāng)飛行高度和速度迅速變化時，結(jié)構(gòu)溫度場具有瞬態(tài)的性質(zhì)。對于其他熱源也需要根據(jù)不同的傳熱方式進行計算。確定熱環(huán)境后，可進行熱應(yīng)力計算、熱剛度計算、熱結(jié)構(gòu)動力特性分析、熱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析、大變形計算、蠕變失穩(wěn)的臨界時間的計算、熱顫振、熱疲勞分析等，對結(jié)構(gòu)耐受熱環(huán)境的能力作出評定。這些分析工作不是孤立的，而是與材料的選擇、結(jié)構(gòu)形式的選擇、熱防護設(shè)計等結(jié)合而反復(fù)進行的。例如，根據(jù)不同的溫度范圍，選用鈦合金、不銹鋼和金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)等耐熱性能較好的材料和結(jié)構(gòu)。熱防護通常分為吸收式和輻射式兩類。燒蝕式熱防護屬于前一類，采用燒蝕材料或涂層，例如樹脂、碳等在高溫下熔化、蒸發(fā)、升華或產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，吸收大量的熱，然后被高速氣流帶走，從而保護內(nèi)層結(jié)構(gòu)。一般燒蝕材料或涂層的導(dǎo)熱性很差，故又能起隔熱作用。輻射式熱防護是在飛行器表面覆蓋輻射能力很強又能耐熱的絕熱層，結(jié)構(gòu)受熱時熱流被絕熱層阻擋，飛行器表面溫度很快升高，通過輻射使熱量散失。陶瓷、石墨等都可以作為輻射式熱防護材料。應(yīng)用電子計算機的結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)已成為熱強度分析的有力手段。通過熱強度分析和熱強度試驗，綜合研究各種因素，還可對熱環(huán)境下工作的飛行器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。2100433B

熱強度熱環(huán)境的形成

飛行器高速飛行時，流經(jīng)飛行器表面的氣流由于摩擦等原因受到阻滯，動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，溫度急劇升高，產(chǎn)生氣動加熱現(xiàn)象。氣動加熱與飛行高度有關(guān)，飛行高度越低，空氣密度越大，氣動加熱越嚴(yán)重。例如在30公里高空，當(dāng)飛行馬赫數(shù)為3時，溫度可達300℃左右，飛行速度增加到馬赫數(shù)5時，溫度高達900℃。航天飛機重返大氣層時表面溫度可升到1200℃以上。高溫給飛行器設(shè)計，特別是結(jié)構(gòu)強度帶來嚴(yán)重的問題，技術(shù)上稱為“熱障”。第二次世界大戰(zhàn)末期，德國V-2火箭已遇到這一問題。戰(zhàn)后出覡了高速飛機，熱強度的研究更受到人們重視。除氣動加熱外，還有其他熱源，如發(fā)動機的釋熱、太陽輻射、核爆炸時的高溫輻射等，都構(gòu)成熱環(huán)境。

熱強度熱對結(jié)構(gòu)的影晌

在熱環(huán)境中，結(jié)構(gòu)材料的機械性能明顯下降。由于材料具有熱脹冷縮的特性，受熱結(jié)構(gòu)各部分的熱膨脹受到約束而產(chǎn)生熱應(yīng)力，溫度分布不均勻時尤為嚴(yán)重，使結(jié)構(gòu)承載能力降低。蠕變是熱環(huán)境下的另一個問題，它是一種隨時間發(fā)展的非彈性變形，溫度越高，載荷越大，發(fā)展越快。蠕變也使結(jié)構(gòu)的極限強度降低，容易發(fā)生屈曲。在熱環(huán)境中長期飛行時，由于永久變形的累積，飛行器的氣動外形受到影響。此外，結(jié)構(gòu)的振動頻率與模態(tài)會發(fā)生變化，顫振的臨界速度會降低，結(jié)構(gòu)剛度的減小還會引起變形發(fā)散等其他氣動彈性問題。核爆炸時，在極短的時間內(nèi)，爆炸點附近的飛行器結(jié)構(gòu)受到高熱沖擊，產(chǎn)生類似沖擊力引起的動態(tài)效應(yīng)，同時引起結(jié)構(gòu)表面與內(nèi)部之間極大的溫差，使表面或內(nèi)部形成裂紋，甚至導(dǎo)致立即破壞，這對脆性材料尤為嚴(yán)重。在高溫下，材料的疲勞性能下降。交變載荷和交變溫度使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱疲勞，結(jié)構(gòu)的斷裂特性也會受到嚴(yán)重影響。

熱強度熱強度分析內(nèi)容和方法

首先需要分析熱環(huán)境。氣動加熱計算是根據(jù)飛行狀態(tài)計算飛行器表面氣流的溫度，進而計算結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)，確定結(jié)構(gòu)的溫度場。溫度很高時，熱輻射的影響明顯，也應(yīng)加以考慮。飛行狀態(tài)通常是非穩(wěn)態(tài)的，當(dāng)飛行高度和速度迅速變化時，結(jié)構(gòu)溫度場具有瞬態(tài)的性質(zhì)。對于其他熱源也需要根據(jù)不同的傳熱方式進行計算。確定熱環(huán)境后，可進行熱應(yīng)力計算、熱剛度計算、熱結(jié)構(gòu)動力特性分析、熱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析、大變形計算、蠕變失穩(wěn)的臨界時間的計算、熱顫振、熱疲勞分析等，對結(jié)構(gòu)耐受熱環(huán)境的能力作出評定。這些分析工作不是孤立的，而是與材料的選擇、結(jié)構(gòu)形式的選擇、熱防護設(shè)計等結(jié)合而反復(fù)進行的。例如，根據(jù)不同的溫度范圍，選用鈦合金、不銹鋼和金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)等耐熱性能較好的材料和結(jié)構(gòu)。熱防護通常分為吸收式和輻射式兩類。燒蝕式熱防護屬于前一類，采用燒蝕材料或涂層，例如樹脂、碳等在高溫下熔化、蒸發(fā)、升華或產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，吸收大量的熱，然后被高速氣流帶走，從而保護內(nèi)層結(jié)構(gòu)。一般燒蝕材料或涂層的導(dǎo)熱性很差，故又能起隔熱作用。輻射式熱防護是在飛行器表面覆蓋輻射能力很強又能耐熱的絕熱層，結(jié)構(gòu)受熱時熱流被絕熱層阻擋，飛行器表面溫度很快升高，通過輻射使熱量散失。陶瓷、石墨等都可以作為輻射式熱防護材料。應(yīng)用電子計算機的結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)已成為熱強度分析的有力手段。通過熱強度分析和熱強度試驗，綜合研究各種因素，還可對熱環(huán)境下工作的飛行器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

靜強度分析包括下面幾個方面的工作。

校核結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足強度設(shè)計的要求，若強度過剩較多，可以減小結(jié)構(gòu)承力件尺寸。對于帶裂紋的結(jié)構(gòu)，由于裂紋尖端存在奇異的應(yīng)力分布，常規(guī)的靜強度分析方法已不再適用，已屬于疲勞與斷裂問題。

校核結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力是否滿足強度設(shè)計的要求，同時為動力分析等提供結(jié)構(gòu)剛度特性數(shù)據(jù)，這種校核通常在使用載荷下或更小的載荷下進行。

計算和校核桿件、板件、薄壁結(jié)構(gòu)、殼體等在載荷作用下是否會喪失穩(wěn)定。有空氣動力、彈性力耦合作用的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題時，則用氣動彈性力學(xué)方法研究。

計算和分析結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的應(yīng)力、變形分布規(guī)律和屈曲模態(tài)，為其他方面的結(jié)構(gòu)分析提供資料。

靜強度分析的內(nèi)容也可通過靜力試驗測定或驗證。

靜強度分析是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用最為頻繁的分析，主要用來求解結(jié)構(gòu)在與時間無關(guān)或者時間作用效果可以忽略的靜力載荷（如集中/分布靜力、溫度載荷、強制位移、慣性力等）作用的響應(yīng)，并得出所需的位移、應(yīng)力和應(yīng)變能等。

風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)件的靜強度問題，實際是考察機組的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件在使用當(dāng)中承受最大作用載荷的能力，分析結(jié)構(gòu)承受極端載荷時的最大應(yīng)變、應(yīng)力和位移，進而討論該結(jié)構(gòu)的強度和剛度問題。分析方法及準(zhǔn)則是風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)件強度校核中最基本的分析原則，是機組結(jié)構(gòu)設(shè)計活動中首先考慮的基本要求。

考慮到不同的載荷工況會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的受力狀態(tài)不同，因此，必須全面考察機組在運行中所遇到的各種載荷狀態(tài)（或稱工況）。同一載荷分量，靜強度僅考慮最大載荷值即可。通常風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)靜強度分析依據(jù)相關(guān)規(guī)范給定的設(shè)計載荷法，即計算載荷必須包含安全系數(shù)γ_f。

根據(jù)求解問題的復(fù)雜程度，風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)件的靜強度分析方法可分為兩類：工程計算方法和有限元計算方法。

對于某類結(jié)構(gòu)件來說，其結(jié)構(gòu)尺寸單一，受載條件簡單，并且有權(quán)威機構(gòu)頒布的工程算法實例做參照，則此類結(jié)構(gòu)件的靜強度分析可應(yīng)用工程算法計算。例如，錐筒式塔筒筒段間螺栓連接的靜強度分析等。

對于載荷復(fù)雜或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的一類結(jié)構(gòu)件（例如，輪轂、底盤等），工程算法或者傳統(tǒng)強度分析辦法無法給出合乎規(guī)范要求的精確解，必須借助數(shù)值計算完成這類結(jié)構(gòu)件的靜強度分析。有限元法就是其中發(fā)展較為成熟的數(shù)值計算方法之一，是解決復(fù)雜力學(xué)問題的一個有效的工具。如上圖1為有限元靜強度分析的一般流程。

分析的一般流程

有限元靜強度分析是求解近似解的過程，求解精度高度依賴建模策略，網(wǎng)格密度以及載荷或位移邊界的施加方式，為保證計算結(jié)果安全可信，風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)件的有限元靜強度分析應(yīng)滿足下列基本原則。

建模及網(wǎng)格劃分應(yīng)遵循的原則

1）對于非重點考察區(qū)域的細(xì)小特征，例如圓孔、倒角、凸臺等，在不影響整體剛度的前提下，可以適當(dāng)簡化；

2）采用構(gòu)建相鄰部件的部分模型（假體）的方法，增加模型的合理判別區(qū)域。結(jié)構(gòu)件、假體模型的尺寸及其連接方式應(yīng)與實際情況保持一致；

3）模型整體的網(wǎng)格規(guī)模和網(wǎng)格質(zhì)量應(yīng)適當(dāng)，重點校驗區(qū)域要加密網(wǎng)格，非重要的區(qū)域可適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，建議采用高階單元劃分模型；

4）對于呈現(xiàn)高應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力梯度變化較大的局部區(qū)域，要細(xì)分網(wǎng)格，追求高質(zhì)量網(wǎng)格。建議出現(xiàn)高應(yīng)力的倒圓特征至少劃分三層單元；

5）含有對稱結(jié)構(gòu)特征的模型，可以考慮建立最小模型，降低計算復(fù)雜性。

施加載荷應(yīng)遵循的原則

1）簡化假設(shè)越少越好；

2）使施加的載荷與結(jié)構(gòu)的實際承載狀態(tài)保持吻合；

3）如必須作簡化處理時，必須忽略“不合理”簡化的邊界附近一定區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力；

值得注意的是，在結(jié)構(gòu)分析中，集中載荷通常是梁、桿和彈簧等非連續(xù)性的模型施加載荷的一種途徑。對于由平面單元或者三維實體單元等組成的連續(xù)性模型，集中載荷意味著存在應(yīng)力奇異點。在靜強度分析中，如果不關(guān)心集中載荷作用節(jié)點處的應(yīng)力，根據(jù)圣維南原理，可以用等效集中載荷代替靜力分布載荷，添加在模型上，雖然這樣做會對載荷附近的局部特性有影響，但對整個結(jié)構(gòu)的性能影響并不大。

無論采用工程算法還是數(shù)值算法，最后的工作都要歸結(jié)為：靜強度校驗。對于風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)件的靜強度分析來說，就是通過應(yīng)力（位移）比較，以校核結(jié)構(gòu)件是否滿足強度和剛度的要求。具體的做法是篩選出最大應(yīng)力（最大位移）的載荷情況，并對該情況下所產(chǎn)生的最大應(yīng)力（位移）進行檢驗。