陶瓷基防隔熱結(jié)構(gòu)高溫環(huán)境振動特性實驗研究及模型修正.pdf

1、應(yīng)高超聲速飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)動力學(xué)研究的需求，本文展開了對一體化的陶瓷基復(fù)合材料飛行器防隔熱結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下的振動特性的研究。主要針對該類結(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研究，旨在理解熱環(huán)境對結(jié)構(gòu)固有振動特性的影響機(jī)制，得到在高溫大梯度的熱環(huán)境中的結(jié)構(gòu)振動特性的行之有效的估算方法，進(jìn)而為其他相關(guān)問題研究以及降低研發(fā)成本盡一點(diǎn)力量。本文對陶瓷基防隔熱結(jié)構(gòu)及防隔熱承力一體化復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過實驗方法及數(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)高溫振動實驗方法，研究該類結(jié)構(gòu)高溫環(huán)境動力學(xué)模型修正方法。
　　首先，開展對高性能防隔熱結(jié)構(gòu)及防隔熱承力一體化結(jié)構(gòu)熱環(huán)境下振動特性的實驗研究。進(jìn)行了模擬實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)力對邊界條件比較敏感，因此對于不同邊界條件的工況分別進(jìn)行實驗研究，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)境中展開了阻尼特性的測試實驗，根據(jù)實際工況對試驗件開展實驗研究，由于阻尼特性的測試方法大多具有較大的離散性，因此實驗工況保持了高度的一致性，并進(jìn)行多次實驗以消除不確定因素造成的阻尼測量誤差。
　　根據(jù)實驗實際得到的情況，結(jié)合熱結(jié)構(gòu)問題的理論研究，開展對熱環(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

4、驗中熱應(yīng)力對結(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特性計算結(jié)果，為更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計算奠定基礎(chǔ)。
　　根據(jù)黏性阻尼模型，給出了帶有待定系數(shù)的估計高溫環(huán)境模態(tài)阻尼比的計算公式，通過四邊固支邊界條件的實驗結(jié)果用線性回歸方法確定了計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)驗公式的適用條件，證明該經(jīng)驗公式具有較大的適用范圍，并通過單邊固支實驗進(jìn)行驗證，結(jié)果證明該經(jīng)驗公式對于估計該類陶

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)驗公式利用有限元計算得到的頻率結(jié)果進(jìn)行對高溫環(huán)境阻尼比的估算，得到了非常好的結(jié)果，證明該經(jīng)驗公式能夠利用有限元計算結(jié)果對高溫環(huán)境的阻尼比進(jìn)行有效的估計，大大節(jié)省了實驗研究所需要消耗的人力物力。
　　針對本文所研究結(jié)構(gòu)，開展了有限元計算方法的模型修正工作，首先對常溫模型進(jìn)行基于實驗數(shù)據(jù)的參數(shù)修

6、正，在此基礎(chǔ)上開展高溫環(huán)境振動特性計算的模型修正方法研究，考慮熱應(yīng)力對邊界條件的敏感性，對此展開了熱應(yīng)力附加剛度陣的修正方法研究。基于實驗數(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，開展了熱環(huán)境下結(jié)構(gòu)動響應(yīng)計算的工作。首先進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)動響應(yīng)的分析，并將計算結(jié)果與實驗結(jié)果相對比，模型對該類結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下的穩(wěn)態(tài)動響應(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)動響應(yīng)分析，所有動響應(yīng)分

7、析中考慮了結(jié)構(gòu)組成材料參數(shù)受溫度影響的改變造成的結(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)力對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加剛度的影響，并根據(jù)實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，本文通過實驗手段和數(shù)值計算相結(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)境振動特性試驗方案，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)的振動特性影響機(jī)制；提出了高溫環(huán)境下適用于各