非定常气动力热效应下的壁板颤振分析

论文摘要

壁板颤振作为一种典型的气动弹性现象由来已久,通常发生在飞行器高速飞行的时候。而对于现代高速飞行器而言,这个问题尤其突出。其中当飞行马赫数很大时,必须考虑气动热效应因素,因为气动热效应会影响壁板的结构刚度,进而会影响其颤振临界速度。此外,壁板颤振现象的出现将直接影响到飞行器的结构使用寿命及其在飞行过程当中的稳定性等。鉴于其重要的工程意义和科研价值,人们对壁板颤振进行了大量的研究。本文将着重考虑热效应以及气流速度大小这两个因素对壁板颤振的影响,进而为抑制壁板颤振现象的发生提供重要理论依据。本文将以金属材料壁板为研究对象,分析其在高速飞行环境下的颤振问题。具体所作内容:首先,介绍了在壁板颤振问题中常用的非定常气动力模型,推导本文中用到的基于活塞理论的壁板线性非定常气动力计算模型;其次,建立由材料的力学性能随温度变化而引起热效应的均匀温度场模型,基于连续介质力学的Mindlin-Reisser板壳理论,建立壁板的几何关系以及应力应变本构关系,用能量法建立一般壁板的动力学模型;再次,应用有限单元法,以MIN3单元为基础,确定其插值函数,从而建立整个壁板的位移场函数,应用之前推导所得的壁板线性非定常气动力计算模型,建立整个壁板的动力学方程。最后,在时域范围内对建立的动力学方程进行数值求解,计算分析各因素对壁板振动及颤振特性的影响。在分析过程中,主要考虑温度因素对壁板失稳前最大振幅值和固有频率以及颤振频率和颤振临界来流速度的影响,还有气体来流速度对壁板失稳前振幅及固有频率的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外壁板颤振研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 非定常气动力模型
• 2.1 引言
• 2.2 活塞理论
• 2.3 基于活塞理论壁板非定常气动力模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 壁板颤振动力学模型
• 3.1 引言
• 3.2 壁板颤振均布温度场热效应模型
• 3.3 壁板运动假设及本构关系
• 3.3.1 运动假设及几何方程的建立
• 3.3.2 考虑热效时应力应变本构关系
• 3.4 壁板动力学模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于MIN3 单元的壁板颤振动力学方程
• 4.1 引言
• 4.2 基于MIN3 单元的位移场函数及相应几何关系推导
• 4.2.1 MIN3 单元的位移场函数建立
• 4.2.2 基于MIN3 单元场函数的几何关系推导
• 4.3 壁板动力学方程
• 4.4 本章小结
• 第5章 时域内壁板颤振特性分析
• 5.1 引言
• 5.2 壁板颤振时域数值求解
• 5.3 温度变化因素对壁板振动及颤振特性的计算分析
• 5.3.1 温度变化对壁板失稳前最大振幅的影响
• 5.3.2 温度变化对壁板失稳前固有频率的影响
• 5.3.3 温度变化对壁板颤振临界来流速度及颤振频率的影响
• 5.4 来流速度因素对壁板失稳前振动特性的计算分析
• 5.4.1 来流速度对壁板最大振幅的影响
• 5.4.2 来流速度对壁板固有频率的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢