受熱曲壁板的非線性顫振特性研究.pdf

1、壁板顫振是飛行器表面蒙皮結(jié)構(gòu)由于空氣動(dòng)力、慣性力和彈性力的相互耦合作用而產(chǎn)生的一種氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定現(xiàn)象，是動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的一種自激振動(dòng)。與經(jīng)典的升力面顫振系統(tǒng)不同，壁板顫振系統(tǒng)的氣動(dòng)載荷僅僅作用于壁板的一個(gè)表面上，且由于壁板結(jié)構(gòu)大變形的幾何非線性作用，壁板顫振呈現(xiàn)為極限環(huán)振動(dòng)狀態(tài)，而不會(huì)立即發(fā)散引起壁板的迅速破壞。目前，有關(guān)壁板顫振問(wèn)題的研究主要集中于平壁板顫振問(wèn)題，而在超音速飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐中，飛行器的蒙皮壁板都帶有一定的曲率，曲率

2、的引入會(huì)引起壁板上的氣動(dòng)靜載荷，從而引起曲壁板的氣動(dòng)彈性靜變形，此外，高馬赫數(shù)下超音速氣流的氣動(dòng)加熱效應(yīng)對(duì)壁板顫振的影響也不可忽略，使得受熱曲壁板顫振問(wèn)題比平壁板顫振問(wèn)題更為復(fù)雜。因此，對(duì)受熱曲壁板顫振問(wèn)題的研究更具有重要的學(xué)術(shù)理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。
　　本文致力于分析超音速氣流中受熱曲壁板的非線性顫振特性，旨在解決以下四個(gè)方面的問(wèn)題：（1）受熱二維曲壁板和三維復(fù)合材料曲壁板的顫振邊界特性；（2）受熱二維曲壁板和三維復(fù)合材料曲壁

3、板的非線性顫振響應(yīng)特性；（3）適用于曲壁板顫振分析的更精確的修正活塞理論氣動(dòng)力及在受熱曲壁板顫振分析中的應(yīng)用；（4）適用于三維復(fù)合材料曲壁板非線性顫振響應(yīng)的降階建模方法。
　　本文的研究?jī)?nèi)容、主要結(jié)論和創(chuàng)新成果如下：
　　（1）基于Von Karman非線性應(yīng)變-位移關(guān)系及帶曲率修正的一階活塞理論氣動(dòng)力，用伽遼金方法建立了超音速氣流中受熱二維圓柱曲壁板的非線性顫振運(yùn)動(dòng)方程；研究了曲率、氣動(dòng)靜載荷和熱載荷對(duì)曲壁板氣動(dòng)彈性靜變形

4、的影響；研究了曲率、熱載荷、粘彈性阻尼和氣動(dòng)載荷非線性效應(yīng)對(duì)曲壁板顫振穩(wěn)定性邊界的影響；研究了動(dòng)壓、曲率和溫升等參數(shù)對(duì)曲壁板非線性顫振系統(tǒng)分岔響應(yīng)特性的影響，并通過(guò)龐加萊映射圖和李雅譜諾夫指數(shù)分別從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面分析了曲壁板顫振系統(tǒng)的混沌運(yùn)動(dòng)特性。
　?。?）曲率修正的一階活塞理論氣動(dòng)力不能考慮超音速流場(chǎng)激波和膨脹波的影響。本文提出了一種基于 CFD技術(shù)的活塞理論氣動(dòng)力靜壓修正方法；基于當(dāng)?shù)亓鞲拍?，推?dǎo)出二維圓柱曲壁板表面非定

5、常氣動(dòng)載荷的計(jì)算公式；并將這兩種方法分別應(yīng)用于超音速氣流中二維圓柱曲壁板靜/動(dòng)氣動(dòng)彈性一體化分析，結(jié)果表明采用本文的兩種方法計(jì)算得到的曲壁板顫振邊界更加安全。
　　（3）基于Von Karman大變形板彎理論和帶曲率修正的一階活塞理論氣動(dòng)力，通過(guò)虛功原理建立了帶MFC壓電鋪層三維復(fù)合材料曲壁板的顫振運(yùn)動(dòng)方程，并開發(fā)了相應(yīng)的有限元程序，通過(guò)算例驗(yàn)證了該程序的正確性。
　?。?）研究了外加電壓對(duì)不同曲率的壓電復(fù)合材料曲壁板氣動(dòng)彈

6、性靜變形和顫振穩(wěn)定性邊界的影響；研究了在給定外加電壓下，壓電鋪層角度和溫升對(duì)壓電復(fù)合材料曲壁板顫振穩(wěn)定性邊界的影響；研究了動(dòng)壓、溫升和外加電壓等參數(shù)對(duì)壓電復(fù)合材料曲壁板非線性顫振系統(tǒng)分岔響應(yīng)特性的影響，并根據(jù)響應(yīng)的時(shí)間歷程、相圖和龐加萊映射圖定性分析了壓電復(fù)合材料曲壁板的非線性顫振響應(yīng)行為，并通過(guò)李雅譜諾夫指數(shù)定量分析了壓電復(fù)合材料曲壁板顫振系統(tǒng)的混沌運(yùn)動(dòng)特性。
　?。?）將本征正交分解（POD）降階建模方法應(yīng)用于三維復(fù)合材料曲壁