超音速流中飞行器壁板的气动弹性稳定性研究
发布时间：2021-08-28 08:41
壁板是飞行器上很重要的结构单元。处于高速气流中的飞行器壁板,在弹性力、惯性力和暴露在高速气流中一个表面上的气动力相互作用将引发一种自激振动现象,即壁板颤振。非线性壁板的气动弹性颤振常被解释为极限环振动（LCO）。这样的一种结构失稳,通常会导致壁板的疲劳损伤,有时可能会导致灾难性的结构失效。在超音速飞行器结构设计的工程实践中,壁板具有一定的初始曲率,并且高马赫数下飞行器表面的气动加热效应也更明显,所以,对超音速流中受热平壁板和曲壁板的气动弹性稳定问题的研究,可以深刻理解壁板颤振的机理,找到相关设计参数对壁板颤振边界的影响规律,为估计壁板的疲劳寿命提供基础数据,对高速飞行器的壁板设计提供必要的理论依据,同时具有工程实用价值。本文基于von Kármán非线性应变-位移关系和气动力活塞理论,建立了超音速流中受热壁板的气动弹性微分方程。利用Galerkin方法,对超音速流中飞行器的受热平壁板和曲壁板非线性气动弹性稳定性进行了深入研究,分析热气动弹性系统的颤振边界特性以及不同的参数组合对系统颤振临界动压与稳定性的影响。主要研究内容和创新性成果如下:（1）利用Galerkin方法,将超音速流中受热...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
气动弹性力三角形
第1章绪论3惯性力三者的耦合作用作为研究对象时，就形成一门交叉学科“气动弹性动力学”[4]。气动弹性力学关注的首要问题之一是弹性体在气流中的气动弹性稳定性。随着气流速度的变化，气动力也随之而发生变化，当气流速度大于临界值时，结构变得不稳定。这样的不稳定性根据是否考虑惯性力又可以分为两类：如果不考虑惯性力称为静不稳定性，考虑惯性力称为动不稳定性。其中，动不稳定性问题又包括颤振、动力响应、抖振等问题。图1.1气动弹性力三角形1.2.2气动热弹性问题简述当飞行器以超音速和高超音速飞行时，高速气流绕经飞行器，头部气流受到飞行器突跃式地压缩和剧烈地摩擦，大部分动能转化为热能，温度急剧升高。飞行器壁板表面和高温气体之间的巨大温差，将部分热能迅速地通过传导等方式传递到飞行器壁板上，这种飞行器与气体之间由于高速的相对运动而使得气流温度升高并进一步使得飞行器表面温度上升的过程就是气动加热。在图1.1所示的气动弹性力三角形上，增加由气动加热产生的热应力，就构成了热气动弹性力四面体，如图1.2所示。图1.2气动热弹性力四面体
吉林大学博士学位论文4当飞行马赫数达到3以上时，热效应加剧，不能忽略。对于超声速流中的飞行器而言，热气动弹性问题对飞行器的使用寿命、飞行器的总体性能甚至飞行成败都有重要影响。气动热弹性问题是一个多学科交叉的非常复杂的问题，涉及到气动力、惯性力和弹性力以及气动加热、热传导之间的相互耦合。因此，有必要关注气动热和气动弹性的耦合分析。1958年，Roger提出了气动热与气动弹性的耦合关系，如图1.3所示。实线用来表示强耦合关系，虚线用来表示弱耦合关系。在分析求解过程中，弱耦合关系对气动热弹性的影响较小，一般可以忽略；强耦合关系则不能忽略，需要予以考虑。气动热与气动弹性之间的强耦合关系包括以下两个方面：（1）气动加热导致飞行器壁板表面温度升高，进而产生不均匀分布的温度场，这样非恒定温度场会引起结构的材料属性，如弹性模量，发生变化；其次，引起的热应力将导致材料的静、动力学特性发生改变；（2）结构在气动载荷和气动加热的共同作用下发生非线性变形，而变形又引起气动载荷的分布发生变化，也将引起气动热流变化[4,7]。在求解气动热与气动弹性问题的上述耦合关系时，通常有不同的方法。在初步分析中，不考虑结构的非线性变形对气动力和气动热的影响，而重点考虑气动加热对结构变形的影响，采用“气动力—气动热—结构弹性力”的单向强耦合关系[8-11]。在详细的设计中，结构的非线性变形和应力应变对气动热的影响也要予以考量，于是采用“气动力—气动热—结构弹性力”双向耦合关系。1.2.3壁板气动弹性问题的研究现状（一）结构及气动力理论上世纪50年代末，美国国家航空航天局（NationalAeronauticsandSpaceAdministration）联合美国的空军、海军和北美航空公司共同进行的验证机X-15在飞图1.3气
【参考文献】：
期刊论文
[1]激波主导流动下壁板的热气动弹性稳定性理论分析[J]. 叶柳青,叶正寅. 力学学报. 2018(02)
[2]高速流场中变刚度复合材料层合板颤振分析[J]. 欧阳小穗,刘毅. 航空学报. 2018(03)
[3]一类新型激波捕捉格式的耗散性与稳定性分析[J]. 谢文佳,李桦,潘沙,田正雨. 物理学报. 2015(02)
[4]气流偏角对不同形状复合材料壁板热颤振特性的影响[J]. 高扬,杨智春,谷迎松. 振动与冲击. 2014(11)
[5]超音速气流中受热壁板的非线性颤振特性[J]. 王广胜,杨晓东. 沈阳航空航天大学学报. 2014(01)
[6]超音速气流下粘弹性壁板的颤振分析[J]. 于天俊,杨晓东,赵维涛. 沈阳航空航天大学学报. 2013(05)
[7]活塞理论气动力静压修正方法及其在曲壁板颤振分析中的应用[J]. 周建,杨智春,贺顺. 航空学报. 2013(07)
[8]超音速下粘弹性夹层壁板颤振分析[J]. 李映辉,李中华. 力学季刊. 2012(03)
[9]基于微分求积法的高超声速机翼蒙皮颤振研究[J]. 钮耀斌,王中伟,毛佳,张礼学. 国防科技大学学报. 2012(02)
[10]气动热-气动弹性双向耦合的高超声速曲面壁板颤振分析方法[J]. 杨超,李国曙,万志强. 中国科学:技术科学. 2012(04)
博士论文
[1]超声速气流中复合材料结构的气动弹性颤振研究[D]. 林华刚.哈尔滨工业大学 2019
[2]超声速流中壁板颤振的抑制和地面试验研究[D]. 邵崇晖.哈尔滨工业大学 2017
[3]高超声速飞行器机翼非线性颤振研究[D]. 钮耀斌.国防科学技术大学 2013
[4]壁板非线性气动弹性颤振及稳定性研究[D]. 叶献辉.西南交通大学 2008
[5]壁板气动弹性复杂响应研究[D]. 陈大林.西南交通大学 2008
硕士论文
[1]JFX爆轰驱动激波风洞关键问题研究[D]. 栗继伟.中北大学 2017
[2]超音速气流下壁板颤振的动力学响应[D]. 王广胜.沈阳航空航天大学 2014
[3]基于双向耦合的高超声速壁板热气动弹性问题研究[D]. 耿丹萍.南京航空航天大学 2012
[4]气动加热环境下壁板的颤振分析方法研究[D]. 李丽丽.南京航空航天大学 2012
[5]考虑热效应的复合材料壁板颤振特性研究[D]. 夏巍.西北工业大学 2004
本文编号：3368191
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
气动弹性力三角形
第1章绪论3惯性力三者的耦合作用作为研究对象时，就形成一门交叉学科“气动弹性动力学”[4]。气动弹性力学关注的首要问题之一是弹性体在气流中的气动弹性稳定性。随着气流速度的变化，气动力也随之而发生变化，当气流速度大于临界值时，结构变得不稳定。这样的不稳定性根据是否考虑惯性力又可以分为两类：如果不考虑惯性力称为静不稳定性，考虑惯性力称为动不稳定性。其中，动不稳定性问题又包括颤振、动力响应、抖振等问题。图1.1气动弹性力三角形1.2.2气动热弹性问题简述当飞行器以超音速和高超音速飞行时，高速气流绕经飞行器，头部气流受到飞行器突跃式地压缩和剧烈地摩擦，大部分动能转化为热能，温度急剧升高。飞行器壁板表面和高温气体之间的巨大温差，将部分热能迅速地通过传导等方式传递到飞行器壁板上，这种飞行器与气体之间由于高速的相对运动而使得气流温度升高并进一步使得飞行器表面温度上升的过程就是气动加热。在图1.1所示的气动弹性力三角形上，增加由气动加热产生的热应力，就构成了热气动弹性力四面体，如图1.2所示。图1.2气动热弹性力四面体
吉林大学博士学位论文4当飞行马赫数达到3以上时，热效应加剧，不能忽略。对于超声速流中的飞行器而言，热气动弹性问题对飞行器的使用寿命、飞行器的总体性能甚至飞行成败都有重要影响。气动热弹性问题是一个多学科交叉的非常复杂的问题，涉及到气动力、惯性力和弹性力以及气动加热、热传导之间的相互耦合。因此，有必要关注气动热和气动弹性的耦合分析。1958年，Roger提出了气动热与气动弹性的耦合关系，如图1.3所示。实线用来表示强耦合关系，虚线用来表示弱耦合关系。在分析求解过程中，弱耦合关系对气动热弹性的影响较小，一般可以忽略；强耦合关系则不能忽略，需要予以考虑。气动热与气动弹性之间的强耦合关系包括以下两个方面：（1）气动加热导致飞行器壁板表面温度升高，进而产生不均匀分布的温度场，这样非恒定温度场会引起结构的材料属性，如弹性模量，发生变化；其次，引起的热应力将导致材料的静、动力学特性发生改变；（2）结构在气动载荷和气动加热的共同作用下发生非线性变形，而变形又引起气动载荷的分布发生变化，也将引起气动热流变化[4,7]。在求解气动热与气动弹性问题的上述耦合关系时，通常有不同的方法。在初步分析中，不考虑结构的非线性变形对气动力和气动热的影响，而重点考虑气动加热对结构变形的影响，采用“气动力—气动热—结构弹性力”的单向强耦合关系[8-11]。在详细的设计中，结构的非线性变形和应力应变对气动热的影响也要予以考量，于是采用“气动力—气动热—结构弹性力”双向耦合关系。1.2.3壁板气动弹性问题的研究现状（一）结构及气动力理论上世纪50年代末，美国国家航空航天局（NationalAeronauticsandSpaceAdministration）联合美国的空军、海军和北美航空公司共同进行的验证机X-15在飞图1.3气
【参考文献】：
期刊论文
[1]激波主导流动下壁板的热气动弹性稳定性理论分析[J]. 叶柳青,叶正寅. 力学学报. 2018(02)
[2]高速流场中变刚度复合材料层合板颤振分析[J]. 欧阳小穗,刘毅. 航空学报. 2018(03)
[3]一类新型激波捕捉格式的耗散性与稳定性分析[J]. 谢文佳,李桦,潘沙,田正雨. 物理学报. 2015(02)
[4]气流偏角对不同形状复合材料壁板热颤振特性的影响[J]. 高扬,杨智春,谷迎松. 振动与冲击. 2014(11)
[5]超音速气流中受热壁板的非线性颤振特性[J]. 王广胜,杨晓东. 沈阳航空航天大学学报. 2014(01)
[6]超音速气流下粘弹性壁板的颤振分析[J]. 于天俊,杨晓东,赵维涛. 沈阳航空航天大学学报. 2013(05)
[7]活塞理论气动力静压修正方法及其在曲壁板颤振分析中的应用[J]. 周建,杨智春,贺顺. 航空学报. 2013(07)
[8]超音速下粘弹性夹层壁板颤振分析[J]. 李映辉,李中华. 力学季刊. 2012(03)
[9]基于微分求积法的高超声速机翼蒙皮颤振研究[J]. 钮耀斌,王中伟,毛佳,张礼学. 国防科技大学学报. 2012(02)
[10]气动热-气动弹性双向耦合的高超声速曲面壁板颤振分析方法[J]. 杨超,李国曙,万志强. 中国科学:技术科学. 2012(04)
博士论文
[1]超声速气流中复合材料结构的气动弹性颤振研究[D]. 林华刚.哈尔滨工业大学 2019
[2]超声速流中壁板颤振的抑制和地面试验研究[D]. 邵崇晖.哈尔滨工业大学 2017
[3]高超声速飞行器机翼非线性颤振研究[D]. 钮耀斌.国防科学技术大学 2013
[4]壁板非线性气动弹性颤振及稳定性研究[D]. 叶献辉.西南交通大学 2008
[5]壁板气动弹性复杂响应研究[D]. 陈大林.西南交通大学 2008
硕士论文
[1]JFX爆轰驱动激波风洞关键问题研究[D]. 栗继伟.中北大学 2017
[2]超音速气流下壁板颤振的动力学响应[D]. 王广胜.沈阳航空航天大学 2014
[3]基于双向耦合的高超声速壁板热气动弹性问题研究[D]. 耿丹萍.南京航空航天大学 2012
[4]气动加热环境下壁板的颤振分析方法研究[D]. 李丽丽.南京航空航天大学 2012
[5]考虑热效应的复合材料壁板颤振特性研究[D]. 夏巍.西北工业大学 2004
本文编号：3368191
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