热声载荷下高温合金薄壁结构非线性动态响应特性

针对航空航天薄壁结构热声疲劳问题,采用解析法和有限元法相结合,研究矩形薄板样件的非线性动态响应特性。首先,推导了四边简支矩形板在热声载荷下的四阶非线性偏微分大挠度运动方程,并利用伽辽金法将其转化为模态坐标系下的二阶微分方程组;对该方程组进行单自由度简化,计算并分析了平面温度与温度梯度对矩形板振动响应的影响。然后,采用有限元方法计算出四边简支矩形钛合金板在不同温度下的模态频率,以及定常声压级、不同温度下的振动位移和应力响应,并着重对位移功率谱密度进行了详细分析。基于上述计算结果,对响应基频随温度变化关系进行了对比分析,并研究了矩形板屈曲和跳变响应特征。     

变温环境下固体药柱的温度应力分析

为研究外界环境对固体火箭发动机性能的影响,基于推进剂药柱的热粘弹性模型,利用有限元方法对变温环境下的药柱温度应力进行了分析,研究了外界环境不同起始温度、不同升（降）温速率对药柱温度应力的影响,确定了某星型药柱内部的应力危险点。结果表明,外界环境升温导致发动机药柱内部应力下降,初期应力下降缓慢,后期应力下降较快;降温过程导致应力增加,初期增加缓慢,后期增加较快;起始温度、升（降）温速率对药柱危险点温度应力都有较大的影响,但后者的影响更为显著。不管外界环境是持续升温还是持续降温,都应该注意固体火箭发动机在贮存和使用中的“环境保护”。     

对称角铺设纤维增强斜形固支板弯曲解析

应用文献［２］给出的各向异性斜板横向弯曲一般解析解，对承受均布载荷的对称角铺设纤维增强复合材料斜形板进行弯曲分析。针对四边固支进行计算。讨论了各向异性、斜角β、铺设角θ、铺设层数Ｎ和跨宽比α对板挠度的影响。计算表明，对于单层角铺设菱形板的铺设角关于（π２）－（β２）对称时，板最大挠度相同，并在铺设角为π２－β２板最大挠度取最小值，θ为０°时板挠度为最大。对于菱形板，铺设层数增大，板挠度增大，而斜形板（α＞１）铺设层数增大，板挠度减小。     

剪切理论与经典理论的对称角铺设方板弯曲解析研究

分别采用基于Reddy简化高阶剪切理论、一阶剪切理论和经典理论的对称角铺设矩形板横向弯曲一般解析解,计算分析四边固支对称角铺设层合方板在均布载荷下弯曲问题,讨论了横向剪切、铺设层数、铺设角、板厚对层合板内力矩和挠度的影响,概略分析了不同理论适用范围。引入了横向剪切效应参数,以反映横向剪切影响程度。文中给出数值算例,计算表明横向剪切效应与弯扭耦合效应存在交联。     

一种粒子增强体复合材料的线粘弹性模型

定量分析了粒子增强体复合材料的粘弹性力学性能。首先,依据复合材料的细观力学理论与Laplace变换理论,在Tan提出的粘弹性模型基础上,发展了一种改进的粒子增强体复合材料的三维线粘弹性模型,克服了Tan的模型只能刻画界面脱湿的缺点;其次,采用非线性有限元方法,实现了粒子增强体复合材料在常应变率下粘弹性本构关系的数值模拟。结果表明,该模型与程序可用于定量化分析多种情况下粘弹性问题的应力-应变关系,如不同粒径、温度、常应变率及粒子体积分数等参数,并得出粒径大的固体颗粒与粒子体积分数高的复合材料都容易发生界面脱湿。     

弯扭耦合效应对纤维复合材料对称角铺设矩形弯曲影响研究

应用给出的各向异性板结构横向弯曲一般解析解对承受均布载荷的纤维增强对称角铺设复合矩形进行弯扭耦合效应分析，文中针对四边简支方板进行计算，分别选取5种复合材料进行分析，分别在考虑D16，D26及忽略D16，D26情况下计算板中心最大弯短，挠度，以比较D16，D26对板弯曲线状态的影响，讨论了铺设角，铺设层数N对板挠度，最大弯矩的影响，对于简支方板，铺设角为45°时板挠度，最小弯矩最小，而0°时的方法挠度，弯矩均为最大，在相同厚度下，铺设层数越多，挠度，弯矩越小，弯扭耦合效应增大板挠度，最大弯矩，当铺设层数N大于9时，挠度计算可忽略弯扭刚度影响，但计算弯矩内力要带来20％相对误差。计算弯矩内力不能轻易忽略弯扭刚度。     

固体推进剂粘弹性泊松比应变率-温度等效关系

固体推进剂粘弹性泊松比严重影响着药柱结构完整性的分析精度。针对点火增压过程药柱的受力特点,基于数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法,设计了可测试推进剂粘弹性泊松比的单向定速拉伸试验,研究了温度和拉伸速率对推进剂粘弹性泊松比的影响规律,利用粘弹性材料参数的应变率-温度等效原理,建立了参考温度下推进剂粘弹性泊松比的应变率主曲线。研究表明,推进剂的粘弹性泊松比随温度和拉伸速率的增大而增大,当拉伸速率达到500mm/min时,推进剂泊松比逐渐趋近于某一常值。考虑到发动机点火增压过程,药柱的加载速率一般在0.5 s-1以上,应变率较大,因此可以将推进剂的泊松比取为一常数,但必须考虑发动机的工作温度,选取合适的泊松比。相关方法和结论可为固体发动机结构完整性分析和贮存寿命预估提供参考。     

基于非线性有限元降阶方法的网格加筋筒壳结构屈曲承载特性研究

非线性有限元数值计算方法是结构屈曲性能评估的主要手段,然而该方法需要基于精细网格迭代求解,降低结构非线性计算规模是其关键技术之一。采用一种结构非线性有限元降阶方法,对均匀轴向压载荷作用下的网格加筋筒壳结构进行了细致的承载稳定性特性分析。该方法将Koiter初始后屈曲理论与Newton弧长法相结合,通过多次使用Koiter摄动展开来跟踪结构非线性平衡路径。计算比较了特征值屈曲载荷和计及几何非线性效应的非线性屈曲载荷值;采用侧向小扰动载荷模拟结构初始几何形状缺陷,分析了缺陷幅度对临界屈曲载荷的影响规律,在验证了非线性有限元降阶方法分析精度的同时,细致考核了该方法在结构非线性屈曲分析以及缺陷敏感性分析中的计算效率优势。     

TGA测试含硼富燃料推进剂发火温度实验研究

采用一定实验条件下的TGA实验,对不同含硼富燃料推进剂发火温度进行测试,以验证方法的可靠性,并在此基础上,研究了初始温度、升温速率、装药量和坩埚等实验条件,以及配方对此方法测定的发火温度的影响。实验结果表明,采用TGA对含硼富燃料推进剂的发火温度进行测试具有较高的精确度,实验结果的通用性也较高;初始温度及升温速率基本不影响此方法测得的推进剂的发火温度;与氩气气氛相比,空气气氛下的含硼富燃料推进剂发火温度降低;在使用高压坩埚的情况下,推进剂的实测发火温度降低;使用HMX代替含硼富燃料推进剂中的AP、使用镁作为金属添加剂,以及增加推进剂中硼粉的含量,都能降低含硼富燃料推进剂的发火温度。     

粘弹性I型裂纹在不同加载率条件下动态J积分的有限元分析

利用ANSYS建立了粘弹性材质I型裂纹模型，以模型结构的半固有周期为参照，对模型施加不同加载速率的载荷，并进行动力的和准静态的分析计算。用编写的APDL程序计算裂纹在不同加载速率作用情况下的RiceJ积分与NishiokaJ积分，并对结果加以比较。由此发现，当作用载荷从0增加到其值所需要的时间小于结构一阶固有周期1/f1的一半时，惯性效应就必须在分析中予以考虑，否则可以忽略之。     

功能梯度材料薄板的热气动弹性数值分析方法及特性研究

对高超声速环境中功能梯度薄板的热气动弹性问题的有限元数值分析方法和特性进行了研究。在考虑了沿板厚方向上非线性温度分布影响基础上,建立了更为精确的功能梯度薄板的热气弹耦合力学模型。采用Eckert参考温度法模拟气动加热效应,进而使用有限元方法求解热传导方程,得到薄板内部的热应力以及物性参数分布,并求解功能梯度材料薄板的控制方程,得到薄板在热应力-气动力-弹性力耦合下的振动特性。结果表明,所提出的基于有限元的数值分析方法能够有效处理该问题的复杂性,并且发现气动加热效应能够使薄板发生热屈曲或者提前进入振动状态,此外还发现当无量纲气动力位于某一“过渡区”内时,薄板行为对初值异常敏感。最后,建立的功能梯度薄板热气弹耦合模型以及相关数值求解方法,能够有效地研究高超声速环境中功能梯度材料薄板的振动行为,相关数值结果对功能梯度薄板的热气弹研究也具有借鉴意义。     

空间环境铝合金板结构热属性光纤监测技术研究

针对空间结构受热循环载荷作用而影响航天器功能与安全的情况,采用温度补偿方法,对基于分布式光纤传感器的板结构热应变和热变形测量技术进行研究,提出了一种基于光纤应变转换矩阵的铝合金板热膨胀系数计算方法,考虑了材料横向应变对结构热膨胀系数测量精度的影响,可为各向异性复合材料构件多方向热膨胀系数测量提供理论支持。研究表明:温度-70~100℃范围内,铝合金板所受热应变引起光纤光栅中心波长偏移量约462.4pm,中心波长偏移量与温度的相关系数约0.999;在温度100℃热载荷作用下,铝合金板在横、纵向变形量均约0.75mm;铝合金板热膨胀系数随温度变化呈现非线性,低温下不能将铝合金材料热膨胀系数近似为常数。研究为后续航天器空间服役状态在轨监测提供参考。     

矩形薄板受面内非均匀分布载荷稳定性分析

对矩形薄板受面内非均匀分布载荷的稳定性问题进行了有限元分析,计算了多种边界组合条件下薄板的临界载荷系数。计算表明薄板的长宽比、相对厚度以及边界条件对临界载荷有大的影响。即使在传统意义的薄板范围内当相对厚度较大时厚度对临界载荷的影响有时已不容忽略。为方便工程实际,给出了基于矩形薄板受面内均匀分布载荷的屈曲当量因子,并给出了其拟合公式。该研究结果可为承受面内非均匀分布载荷薄板结构设计提供参考依据。     

航天器蜂窝夹层板局部弯曲变形特性分析与验证

为了解决航天器蜂窝夹层板局部变形以致局部平面度易超差问题,文章基于克希霍夫(Kirchhoff)薄板弯曲理论和矩形板(Rectangular Plate)弯曲理论对蜂窝夹层板局部弯曲变形特性分析和挠度计算,提出减小局部变形的控制方法,经局部平面度试验验证,结果表明:理论分析与试验结果一致性好,选择较小均布载荷、减小热管宽度或热管与蜂窝芯的拼缝间隙、增大矩形板厚度以及缩小蜂窝芯与热管间的高度阶差均可有效减小局部变形,进而降低局部变形对航天器内部功能仪器导热的影响。可为航天器蜂窝夹层结构设计提供参考。     

高精度光学载荷安装平台热控设计及试验验证

某科学卫星的3台光学主载荷需实现对太阳共视,要求3台载荷的光轴平行度偏差小于30?,考虑到热弹变形的影响,光学载荷安装平台温度须控制在(22±5)℃。然而,载荷安装平台尺寸大（1.6 m×1.6 m×0.8 m）且处于舱外,外热流各方向相差大,温度均匀性控制难,故对该平台采取主动热控（PI闭环加热）和被动热控（多层隔热）相结合的热控措施。软件仿真显示,此热控方案下,载荷安装板及支撑杆温度可以控制在(22±3)℃;整星真空热试验显示,此热控方案下,载荷安装板温度可以控制在(22±2)℃,载荷支撑杆温度可以控制在(22±3)℃：以上均验证了热控方案可行、有效。     

固体推进剂/衬层界面裂纹的指数型分层界面层模型

建立了固体推进剂/衬层界面裂纹的指数型分层界面层模型,该模型将界面层划分为多个子层,并在每一子层中用指数函数表示界面层初始模量的分布。应用Fourier变换方法推导出一个Cauchy型奇异积分方程组,采用配点数值方法得到平面应力状态下裂纹问题的半解析解,并讨论了法向和剪切应力加载下界面层参数对应力强度因子的影响。结果表明,界面层模量降低时,应力强度因子的绝对值显著减小;界面层厚度对应力强度因子的影响相对不明显。     

推进剂/衬层脱粘J积分判据实验研究

利用J积分方法对固体火箭发动机推进剂 /衬层临界粘结断裂能进行了试验测定 ,分析了温度和拉伸速率对断裂能的影响 ,进而结合实验测定的材料的lgRaT曲线 ,作出了的材料J1c主曲线。计算结果表明 ,拉伸速率R对粘结断裂能的影响不如温度T对粘结断裂能的影响显著。     

HTPB推进剂“脱湿点”及快慢组合拉伸研究

针对空空导弹发动机对药柱结构完整性分析的特殊需求,开展了复杂载荷下某新型HTPB推进剂的力学性能试验研究,分别进行了不同温度环境下,推进剂单轴定速及快慢组合拉伸试验,研究了温度、拉伸速率、"转换应变"对推进剂极限力学性能和"脱湿"损伤行为的影响。结果表明,该新型推进剂在低温环境中具有良好的力学性能,其抗拉强度、断裂强度、最大伸长率、断裂伸长率、初始模量随拉伸速率的增大呈增大趋势,随温度的升高而减小。拉伸速率增大或者温度降低,"脱湿点"强度呈增大趋势,"脱湿点"前移,更易发生"脱湿"行为。在应变速率快慢组合试验中,推进剂极限力学性能参数随着"转换应变"的增大呈下降趋势。相关结果和结论可为复杂载荷下空空导弹发动机药柱的精细结构完整性分析提供参考。     

固体发动机低温点火条件下药柱结构完整性分析

分别采用三维弹性和三维线粘弹性模型,对固体发动机药柱在低温和点火升压2种载荷下的结构完整性进行了计算分析。研究了推进剂弹性模量E、泊松比μ、药柱m数等参数对结构完整性的影响。结果表明,在发动机低温点火条件下,药柱内孔表面是最危险部位;固化降温和点火升压2种载荷引起的最大等效应变在此是相互叠加的;药柱m数对固化降温和点火升压载荷下的应变分布有重要影响。     

考虑粘弹性泊松比的固体推进剂蠕变型本构模型

在粘弹性材料中,泊松比是时间和温度相关的函数。提出了一种新的考虑时间和温度相关泊松比的推进剂蠕变型本构模型。为了建立合适的本构模型,采用拉普拉斯变换方法对经典蠕变型本构模型进行了改进,将时间无关的弹性泊松比变换成时间相关的粘弹性泊松比。基于时温等效原理,将泊松比的时间和温度相关特性利用WLF方程进行建立联系。基于蠕变型本构模型的增量形式将该模型开发到有限元程序MSC.MARC中。针对星孔发动机点火增压工况进行了结构完整性分析。仿真结果表明,粘弹性泊松比对结构的应力应变影响介于初始和平衡泊松比对结构分析的影响之间。并且该蠕变型本构模型与松弛型本构模型的分析结果一致。