氣動加熱環(huán)境下的結構熱響應分析.pdf

1、結構熱響應是指結構在高溫環(huán)境下的動力學響應問題,即結構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)境嚴重惡化,給飛行器的結構帶來重大考驗;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構的應用越來越多。在氣動加熱環(huán)境下,薄壁結構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構的振動特性,即固有模態(tài)頻率及振動幅度,發(fā)生顯著變化,從而導致薄壁結構產(chǎn)生失穩(wěn)、高溫蠕變等現(xiàn)象,進而危害飛行器的安全飛行。所以薄壁結構的氣動加熱問題是制約高超聲速飛行器發(fā)展的關鍵問題之一。
　　氣動加熱對結構的影響主要表現(xiàn)為其產(chǎn)生的熱流會使得結構的表面溫度驟然升高,隨著時間的遞進,其表面熱流會逐漸傳遞到結構內(nèi)部,最終使得結構內(nèi)部溫度升高,從而影響結構整體的動力學性能,主要表現(xiàn)為對結構的剛度的影響,即結構剛度在高

3、溫情況下會產(chǎn)生變化。而結構剛度決定了結構的動力學特性,如振動模態(tài)頻率與振動幅度等,所以結構剛度的改變就意味著結構動力學性能的改變。如果氣動加熱所產(chǎn)生的熱流使得結構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)境下的結構熱模態(tài)分析能夠反映熱對結構性能影響的程度,是分析氣動加熱尤其是長時間持續(xù)氣動加熱對結構性能影響的重要分析方法。所以為了分析薄壁結構在氣動加熱環(huán)境下的結構熱響應問題,需要在氣動加熱環(huán)境下對薄壁結構進行熱

4、模態(tài)分析,并與常溫下結構模態(tài)進行對比,從而預測不同熱載荷對結構動力學特性的影響程度。
　　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)境比較接近的結構壁面熱流,為結構熱響應問題提供了比較真實的熱載荷,從而使得結構熱響應分析的結果盡可能地接近真實情況。其次,在得到結構壁面熱流后,針對高超聲速飛行器上的典型薄壁結構開展了熱模態(tài)計算研究,分析了結構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構在高超聲速巡航狀態(tài)環(huán)境下的結構溫度場及結構熱響應問題。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構在飛行軌道環(huán)境下的溫度場與熱響應問題。由計算結果可知: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)境下的結構熱分析及熱模態(tài)分析;在氣動加熱環(huán)境下,結構的局部溫度會有較大的升高,使得結構內(nèi)部產(chǎn)生熱應力,并且結構的固有頻率隨著結構溫度的升高而逐漸降低。