热声振环境下复合材料薄壁结构疲劳评估问题研究

发布时间：2020-06-22 02:20

【摘要】：航空航天飞行器薄壁结构在服役过程中面临着高温、宽频高强噪声及随机振动等严酷的热/力学环境。热-声-振环境下薄壁结构的振动疲劳评估问题是现代空天飞行器结构可靠性工程的一项关键内容。陶瓷基复合材料凭借其优异的防热与承力一体化性能,成为空天飞行器热防护系统薄壁结构的主要候选材料。然而,陶瓷基复合材料薄壁结构在热-声-振环境下的振动疲劳耐久性仍面临重大挑战,其疲劳寿命评估的共性和个性关键问题有待进一步研究。针对热-声-振环境载荷和陶瓷基复合材料薄壁结构的力学特性,本文通过理论分析和数值仿真围绕振动疲劳评估方法,热环境下的声疲劳评估,声疲劳的频率效应,以及薄壁-连接件的设计与评估四个方面开展研究,重点揭示热-声-振环境下陶瓷基复合材料薄壁结构振动疲劳评估及设计的若干规律,为飞行器结构的疲劳寿命评估及设计提供参考。本文的研究内容及结论包括以下四个方面:(1)针对结构振动疲劳危险点难以预判的问题,在频域法的振动疲劳分析中,提出采用应力模态振型快速定位结构振动疲劳的关键热点部位,进而评估结构的疲劳寿命。对应力模态振型方法在随机振动疲劳中的应用进行了数值仿真,验证了基于应力模态振型的振动疲劳破坏热点预判的可行性和准确性。(2)从温度改变结构动响应和温度改变材料S-N曲线的两个层面,研究了变温条件下热防护系统C/SiC加筋壁板声疲劳的寿命评估问题。通过对比计及和不计及温度变化的过程,在典型飞行时间内疲劳损伤的计算精度提高约2个数量级。(3)为了分析宽频噪声载荷下C/SiC薄壁结构疲劳寿命的频率依赖性,研究了平稳随机信号的水平穿越问题,论证了正斜率穿越率表征平稳随机信号的统计平均频率,进而提出了C/SiC材料疲劳试验加载频率的确定方法。在C/SiC复合材料薄壁结构的声疲劳评估模型中计及频率效应,计算精度提高了约5倍。(4)根据静强度、动特性以及动强度三者的关系,提出基于拓扑优化技术和应变模态理论的结构抗振动疲劳设计方法。研究了复合材料机械连接开孔形状对应力集中系数的影响,进而提出一种优化的开孔形状设计方法。针对二维C/SiC复合材料薄壁结构现有碳纤维钉(Z-pin)层间强度性能的不足,提出一种优化的二维陶瓷基复合材料Z-pin设计方法。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;V214.4
【图文】：

示意图,S-N曲线,示意图,振动量

环境下的疲劳破坏模型可依据是否存在疲劳阈值分为两类振动量级产生，都会对结构产生损伤，当累积量达到某动峰值破坏：当振动量级超过某一阈值才产生损伤，并中，当某次振动峰值足够大时，结构立即发生破坏。在宽频、高强的随机振动环境下，其薄壁结构、机械连基于随机动响应的疲劳寿命预测是航空航天结构设计的下，航空航天结构动态应力响应中很大一部分呈现高频动疲劳一般属于高周疲劳的范畴。随机振动下结构疲劳频域法两大类，本章研究随机振动疲劳分析方法，基于域分析的改进算法。N 曲线

搭接,壁板,几何模型,有限元模型

图 2-3 含孔单搭接壁板的几何模型6006001081 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 1415 1617 18 19 20 2122 2324 25 26 27 2829 3031 32 33 34 3536 37 3839 40 4142 43 4445 46 4748 49 5051 52 5354 55 5657 58 5960 61 6263 6465 66 67 68 6970 7172 73 74 75 7677 7879 80 81 82 8384 8586 87 88 89 9091 9293 94 95 96 97Hole No.Ra(m#1-#35 3#36-#62 5#63-#97 3

【参考文献】