高速飞行器热防护结构振动疲劳分析

发布时间：2020-09-03 14:13

　　高速飞行器是世界航空航天领域的一个极其重要的发展方向,其飞行速度快,所处的载荷环境非常复杂和恶劣,大部分外表面都要承受强烈的气动加热与噪声,热防护系统(TPS)的作用就是避免飞行器发生过热现象或被烧毁。复合材料夹层板通常用作高速飞行器的热防护结构,其面板与芯层具有良好的防隔热功能,同时也起到承载的作用,但若热防护结构的强度不足发生破坏,将会影响飞行器正常飞行进而导致严重后果,因此本文对高速飞行器的热防护结构的动力学响应和强度进行了研究。本文对一个矩形TPS夹层板采用了模态试验结合有限元仿真的分析方法进行研究,通过比较三种不同建模方式的模态结果选择出TPS层合板的合理的建模方式。在此基础上基于结构随机振动响应与振动疲劳的分析方法,分别对TPS基元件与飞行器表面的TPS板进行了有限元建模与随机振动疲劳的研究。对TPS基元件的外表面面板分别采用时域法与频域法进行了振动疲劳寿命预测,结果表明两种方法得到的寿命相近;在频域法寿命预测中对采用不同参数得到的寿命结果进行了比较,在时域法寿命预测中考虑了温度造成的热应力对寿命的影响。建立了飞行器整体与表面粘贴的TPS板的有限元模型,并基于已有试验数据进行了模型修正,选择各舱段连接处的刚度弱化单元的弹性模量作为设计变量,修正后的模态计算结果与试验结果的相对误差在合理范围内。分别采用直接法与模态叠加法对处于巡航状态与助推状态的飞行器进行了瞬态响应分析,得到了飞行器前端粘贴的TPS板面板的应力响应,对两种方法得到的响应结果进行对比,结果很接近。基于瞬态响应结果进行了振动疲劳分析,结果表明TPS板的外面板在两个工况中均不发生振动疲劳破坏。总结出对于工程实际问题进行有限元建模、动力学响应计算和振动疲劳寿命预测的流程。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V215;V415
【部分图文】：

复合材料夹层板,结构形式

图 1-1 复合材料夹层板结构形式[40]1.4 本文的主要研究内容本文针对上述 TPS 结构进行以下三方面的研究：（1）对一矩形 TPS 板进行模态试验并采用不同的方式进行有限元建模，通过两者的对比验证有限元模型的合理性；（2）对 TPS 基元件按（1）中探索得到的最合理的建模方式进行建模，并进行随机振动响应分析，在此基础上，分别采用时域法与频域法进行振动疲劳分析得到疲劳寿命并进行对比；（3）对高速飞行器结构及其表面的 TPS 板进行有限元建模和模型修正，使结构模态和动响应的计算结果与试验结果的相对误差在合理范围内，证明对飞行器结构建立的有限元模型是满足要求的，建模时考虑了 TPS 板以及飞行器结构的材料热力学性能受温度环境的影响所发生的改变，并进行模态及瞬态响应计算，进一步得到 TPS 板的动应力，最后进行振动疲劳寿命分析。

对称循环,疲劳应力,振动疲劳,应力循环

图 2-1 振动疲劳分析流程.3.1.1 应力循环及其描述图 2-2（a）所示的是完全对称的正弦恒幅应力循环，该应力循环类型通常出现没有过载且以恒定速度运转的旋转机械中[44]。该应力循环的特点是最大应力与小应力大小相等，符号相反，即最大应力为拉应力，最小应力为数值相等的压应。振动疲劳寿命分析方法1、材料应力-寿命曲线2、疲劳累积损伤理论3、疲劳寿命分析模型振动疲劳寿命

曲线,锻造铝合金,曲线,应力幅

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文扩展的趋势；相反，若处于压缩的平均应力，则裂纹有闭合的趋势，加。给定的寿命下研究应力幅与平均应力的关系，即改变应力幅与平均使得疲劳寿命不变。以平均应力为横轴，应力幅为纵轴，可以画出一寿命时的曲线，称为 Haigh 曲线，如图 2-4 所示。

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