大型飞艇龙骨缩比模型设计方法研究

论文摘要

大型半硬式飞艇是目前低速临近空间飞行器的发展重点之一。为了降低结构质量并保证刚度和强度的要求,其龙骨广泛采用比刚度和比强度高的复合材料进行制造。对于大型复合材料龙骨结构的地面试验,通常利用缩比模型试验取代全尺寸模型试验。本文主要以线弹性复合材料刚架结构为对象,基于相似理论对其静力学响应和动力学特性的缩比模型设计方法进行研究,并将所得结论应用于某龙骨结构的缩比模型设计。主要研究内容如下:基于相似三定理,对相似理论与模型试验中常用的相关概念进行介绍,详细阐述了基于量纲分析法和方程分析法推导相似关系的过程,讨论了不完全相似的处理方法。根据薄壁梁理论,建立了闭口截面薄壁梁位移表达式,推导了层合复合材料薄壁圆管刚度方程的解析形式,并通过数值算例进行了验证。通过量纲分析法建立了线弹性各向同性材料刚架结构的相似关系,提出了结合有限元方法的方程分析法,并基于此建立了线弹性复合材料刚架结构的相似关系,分析了两种不可缩比因素,将两种方法建立的相似关系进行了对比分析。以某龙骨结构为原型对象,根据文中基于方程分析法推导的相似关系,设计了其1/5复合材料缩比模型,最后利用有限元软件MSC.Patran/Nastran对该模型进行了数值验证。总之,本文建立了线弹性复合材料刚架结构的缩比模型设计方法,所得结论成功应用于某龙骨结构的缩比模型设计,研究方法能够推广应用于其他大尺度刚架结构的缩比模型设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 相似理论和模型试验的发展与现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 相似理论简介
• 2.1 引言
• 2.2 相似三定理
• 2.2.1 相似第一定理
• 2.2.2 相似第二定理
• 2.2.3 相似第三定理
• 2.2.4 相似三定理的意义和应用
• 2.3 相似准则的推导方法
• 2.3.1 量纲分析法
• 2.3.2 方程分析法
• 2.4 不完全相似
• 2.5 本章小结
• 第三章 层合复合材料薄壁圆管刚度解析计算
• 3.1 引言
• 3.2 闭.截面薄壁梁位移表达式
• 3.2.1 坐标系及位移向量表达式
• 3.2.2 面内位移分量
• 3.2.3 轴向位移分量
• 3.2.4 位移表达式
• 3.3 圆管的刚度方程
• 3.3.1 圆管位移表达式
• 3.3.2 本构方程
• 3.3.3 应力分量表达式
• 3.3.4 静力关系
• 3.3.5 刚度方程
• 3.4 数值算例分析及验证
• 3.4.1 有限元数值计算结果
• 3.4.2 理论解析计算结果
• 3.4.3 对比验证和误差分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 线弹性刚架结构相似问题研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于量纲分析法的刚架结构相似关系
• 4.2.1 静力学响应问题的相似关系
• 4.2.2 动力学特性问题的相似关系
• 4.2.3 不可缩比因素影响分析
• 4.2.4 相似关系分析
• 4.2.5 数值算例分析及验证
• 4.3 基于方程分析法的刚架结构相似关系
• 4.3.1 静力学响应问题相似关系
• 4.3.2 动力学特性问题相似关系
• 4.3.3 相似关系简化
• 4.3.4 数值算例验证
• 4.4 相似关系对比及数值算例分析
• 4.4.1 相似关系对比分析
• 4.4.2 数值算例分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 复合材料龙骨缩比模型设计
• 5.1 引言
• 5.2 龙骨结构及其有限元模型
• 5.2.1 龙骨结构形式
• 5.2.2 结构简化及有限元建模
• 5.3 1/5 复合材料缩比模型设计
• 5.4 数值计算分析
• 5.4.1 龙骨静力分析和动力学特性结果
• 5.4.2 1/5 复合材料缩比模型静力分析和动力学特性结果
• 5.4.3 缩比误差计算结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果