铺层方式对复合材料壁板热颤振特性的影响

采用分步求解的方法进行复合材料壁板的热颤振分析。先分析热效应产生的壁板附加刚度,再将壁板的热刚度效应引入到壁板颤振模型中进行壁板颤振分析。通过一块四边固支壁板的热颤振分析算例,验证了这种壁板热颤振分析方法的正确性。进而针对高速飞行器结构中的复合材料壁板热颤振问题,分析了三种不同铺层方式的复合材料壁板在受到面内均匀热载荷时颤振临界速度随温升的变化规律。结果显示：(1) 层合复合材料壁板的铺层比例和铺层顺序对壁板的热颤振临界速度都有明显的影响;(2) 温升可导致壁板颤振临界速度明显降低,且铺设方式不同,下降程度不同;(3) 在颤振危险模态不发生变化时,壁板颤振临界速度随温升而下降的趋势近似呈线性关系。     

基于遗传算法的复合材料壁板热颤振优化设计

将遗传算法与有限元分析方法结合起来,探索了以壁板颤振临界速度最大为目标,以壁板不发生热屈曲为约束条件,层合复合材料壁板铺设方式为设计变量的热颤振优化设计方法。在该方法中,通过有限元分析获取壁板的颤振速度作为适应度,同时引入一个可自动更新的数据库用于存储已求得的适应度,使得在优化过程中可以直接从数据库中读取对应的个体适应度,大大节约了优化搜索的时间。通过对矩形和正方形壁板的热颤振优化设计算例表明,该方法能在保持壁板铺层数固定的情况下有效提高壁板颤振临界速度,可应用于高速飞行器壁板热颤振的工程优化设计。     

偏航机动飞行时的壁板颤振问题及优化设计

研究了气流偏角变化条件下,复合材料壁板颤振分析及其优化设计问题。采用考虑气流偏角影响的一阶活塞理论和Von\|Karman大变形理论建立了复合材料壁板颤振方程。通过模拟退火优化方法,对不同气流偏角下的壁板颤振速度进行了计算。以偏航壁板颤振速度为目标函数进行了壁板结构的优化设计。分析结果表明：采用所提出的偏航壁板颤振速度,能更好地分析复合材料壁板在机动飞行时的稳定性;通过铺层方式优化设计,能明显提高偏航壁板颤振速度,并较好地解决现有壁板颤振优化设计带来的最优铺层方式的选择问题。给出的算例验证了方法的有效性。
     

压剪联合载荷作用下复合材料壁板屈曲及后屈曲性能计算与优化方法研究

复合材料壁板被广泛用于航空航天结构,在外部复杂工况下壁板通常会受到面内压剪载荷的联合作用,其屈曲及后屈曲响应直接影响此类结构的极限承载能力。为此,基于改进的Koiter摄动理论,提出一种能够快速精确地开展复合材料壁板非线性屈曲分析的摄动有限元降阶方法,然后计算获得壁板的屈曲/后屈曲性能指标,即非线性屈曲载荷、后屈曲承载刚度以及承载刚度残余系数,最后将摄动降阶方法嵌套到复合材料铺层优化的分析流程中,获得压剪联合载荷下各种屈曲/后屈曲性能指标的最优铺层信息。数值算例验证了所提出方法的高效性和有效性。     

超声速气流下黏弹性夹层壁板非线性颤振分析

基于Kelvin-Voigt黏弹性本构模型、von-Karmen薄板大变形理论和三阶气动力活塞理论建立了三维黏弹性夹层壁板的气动弹性颤振方程。使用Galerkin截断方法,对超声速气流下,四边简支黏弹性夹层壁板颤振的非线性特性进行了研究。对于非线性一阶截断方程,研究了它的平衡点及稳定性随来流速度的变化情况,得到了系统发生静态分叉时的临界速度;对于非线性二阶截断方程,使用数值仿真分析方法,得到了系统发生Hopf分叉时的临界速度,并利用响应、相图等手段研究得到黏弹性夹层板随来流速度变化的动力学特性。     

新型复合材料功能梯度板热屈曲研究

针对目前功能梯度材料(FGM)热物参数存在众多不同表征方法的现状,假设功能梯度平板材料热物参数沿厚度向呈同一任意函数形式变化,基于经典板理论和一阶剪切理论,用临界平衡法推导板的屈曲方程,用Navier法求解方程,给出功能梯度平板热屈曲临界温度的通用解析式。考虑其热物参数对温度的依赖性,通过迭代算法获得了四边简支的功能梯度平板在均匀受热时临界屈曲温度变化的封闭解。以常用的指数型功能梯度平板为例进行了数值计算,分析了平板几何尺寸对其临界屈曲温度的影响。结果表明:结构尺寸参数是影响临界温升的最主要因素,临界屈曲温度分别随其厚长比和长宽比增大而单调增大。研究扩大了均匀温度场中功能梯度平板热屈曲临界温度计算公式的适用范围,有一定的工程意义。     

身-翼-舵组合体高超声速变攻角颤振计算

推广和发展了原来只能用于二维升力面的当地流活塞理论,形成可解决包括弹身、弹翼、舵面、身-翼组合体、身-翼-舵组合体大攻角颤振计算的新方法。其中气动力计算采用CFD数值仿真与工程算法相结合的方法,求解结构运动方程时则利用状态空间法进行时域仿真。对某身-翼-舵组合体型号的计算表明该型号颤振动压随马赫数和攻角都呈现先增加后下降的变化趋势;在大马赫数和大攻角作用时,颤振动压有明显的下降;在较小攻角状态下颤振动压不降反升,与传统文献报导单独分枝颤振动压随攻角增大而单调下降不同,表明复杂外形组合体的气动弹性稳定性受到多种因素的共同作用,颤振特性更加复杂。计算结果表明弹体稳定性与飞行姿态相关,同时也证明了本文方法在高超声速复杂外形飞行器提气动弹性分析中的有效性。     

燃烧室非线性压力振荡及其产生机理研究

当燃烧不稳定现象发生时,燃烧室内部往往伴随有较大幅值的压力振荡,其表现形式是非线性的.为了加深对其产生机理的认识,在能量平衡方法的基础上,通过求解包含高阶非线性项的各阶能量平衡方程,模拟了燃烧室非线性压力振荡曲线,给出了不稳定状态下,燃烧室压力的陡峭化过程以及各阶模态的“极限环”幅值分布.在此基础上,进一步对初始线性增长率α以及非线性效应对“极限环”幅值的影响规律进行了参数化研究,获得相应的分布规律曲线.最后,作为验证,对不同稳定工况下的“爆炸弹”压力振荡过程进行了数值模拟.研究表明,不稳定燃烧过程中,各阶模态之间存在相互作用,且随着α的增加,“极限环”幅值呈线性递增趋势,而非线性效应对“极限环”幅值的影响规律则相反.此外,“爆炸弹”数值实验表明,在进一步完善非线性项后,能量平衡方法具有模拟非线性燃烧不稳定现象的潜力.     

力热联合载荷下炭纤维缠绕壳体轴压稳定性分析

为了研究炭纤维缠绕壳体在力热联合载荷下的轴压稳定性,通过试验测试了炭纤维复合材料单层板在不同温度下的弹性常数,计算出炭纤维复合材料壳体在不同温度下的等效弹性常数。基于层合板理论计算了炭纤维复合材料壳体的临界轴压,设计了力热联合载荷下炭纤维缠绕壳体试验方案,测试了壳体在不同温度下的轴压破坏载荷。结果表明,炭纤维复合材料壳体的临界轴压随温度升高逐渐降低;当使用温度超过树脂玻璃化温度后,壳体轴压破坏载荷呈指数级下降;在临界轴压理论计算公式的基础上取修正系数为0.04,可准确预示炭纤维复合材料壳体的轴压破坏载荷。相关结论和方法可为固体发动机复合材料壳体和外防热结构设计提供依据。     

复合材料壳体轴压稳定性分析

利用有限元结构分析法,引入线性屈曲模态作为结构的初始几何缺陷,对复合材料壳体的轴压稳定性进行了非线性分析。将计算结果与线性屈曲分析及实验结果进行了对比,结果表明,由于初始缺陷等非线性因素的影响,结构的线性临界载荷高于非线性临界载荷,进行非线性分析是必要的。文中对壳体承受轴压能力进行了初步估计,可为复合材料壳体的稳定性工程设计提供参考。     

噪声激励下典型复合材料铆接结构的声固耦合分析

针对CVI工艺下复合材料典型铆接板,提出一种适合复杂模型动力学分析的建模方法:采用Bush和RBE2的组合单元模拟铆钉连接,将板间的弱非线性接触力转化为接触刚度,建立该复合材料铆接板的有限元模型。同时,基于有限元-间接边界元法推导了考虑接触力的声固耦合动力学方程,开展了该复合材料铆接板在随机噪声激励下的声固耦合分析,并探讨界面接触对声固耦合系统固有特性和动响应的影响。研究结果表明,界面接触模型比界面刚接模型更为准确;刚接模型会增大复合材料铆接板连接界面的局部刚度,使得结构的固有频率偏高,响应峰值向高频处移动;考虑接触对结构的加速度响应影响较大,对应力响应影响较小。     

Aeroelastic characteristics of cantilever wing with embedded shape memory alloys

In this paper, the effect of embedded shape memory alloy (SMA) wires on the natural frequency, flutter, limit cycle oscillation (LCO) amplitude and aeroelastic stability margin of a rectangular cantilever wing are investigated. Wings are modeled in accordance to classical plate theory (CPT) as well as first-order shear deformation plate theory (FSDT) and large deflection Von Karman plate theory. The effects of pre-strain, temperature and number of SMA wires on aeroelastic characteristics are considered. Significant improvements in aeroelastic behaviors due to the in-plane load of the SMA wires are obtained.     

Experimental and theoretical burning of solid rocket propellants near the pressure deflagration limit

Burning of composite solid rocket propellants near the pressure deflagration limit (PDL) was studied experimentally in two different test chambers. The propellant tested was a nonmetallized ammonium perchlorate-based composite propellant (AP 84/CTPB 16). Measurements were taken of the regression rate, oscillations frequency and flame luminosity. Self-sustained oscillations were detected near the PDL that matched reasonably well the predictions of the analytical nonlinear stability theory and of the numerically solved nonlinear mathematical model. Both experimental and numerical results show the burning rate oscillations near the PDL due to statically unstable burning, that is the only combustion regime possible below a certain pressure. When pressure is further reduced the amplitude of the oscillations increases and their frequency decreases, until extinction follows abruptly below a pressure that corresponds to the PDL.     

空间闭式布雷顿循环旁路调节特性分析

闭式布雷顿循环是未来空间大功率热电转换的有效途径,而旁路调节是实现系统快速功率调节和转速控制的有效手段.通过对标美国普罗米修斯计划中的热电转换系统参数,进行了涡轮、压气机的气动设计和换热器性能计算,获得了包括组件特性、管道布局的热电转换系统动态仿真模型.基于该动态模型,对旁通阀不同响应时间、开度对系统功率、转速和循环温...     

电弧放电等离子体对超声速边界层影响的数值模拟

基于电弧放电等离子体热阻塞机理,对等离子体超声速流动控制过程进行了数值模拟,研究了等离子体对边界层的影响,分析了放电区大小、温度等对其作用效果的影响。结果显示：在高温等离子体放电区的上下游近区发生了边界层分离及漩涡运动;在放电区内有两种边界层,即高温等离子体与外界低温气流之间的温度边界层和气流与壁面之间的粘性边界层;放电区内形成漩涡运动的原因有两个,即内外压差和边界层分离;上游边界层的分离点y轴坐标随温度的增大而减小;增大来流速度,放电区上游分离点y轴坐标呈先增大后减小的趋势、放电区内漩涡运动加剧、下游近区边界层分离点y轴坐标减小。     

舵模型风洞颤振试验中亚临界技术的应用研究

为降低模型和风洞设备的损坏率，用随机激励和频响函数分析法，测定进入颤振临界点之前舵面颤振试验模型在不同风洞气流动压下的模态频率和阻尼比，由阻尼外推法或稳定参数法确定颤振临界动压。数次进入颤振状态的试验结果证明，所获得的颤振临界参数有较高的精度。     

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。     

航天器多功能结构传热特性的实验研究

针对航天器结构高性能、轻质化和集成化的发展要求,设计了集电路控制,热管理功能和结构承载功能于一体的多功能结构。此种结构分别采用柔性电路板控制热仿真多芯片模块,作为多功能结构的热源;碳碳材料作为热倍增器;复合材料蒙皮和金属泡沫芯子的夹层结构作为承载结构,实现了结构和功能的集成。同时,为了研究多功能结构的传热特性,进行了热真空实验,实验测量了热流密度和温度梯度。结果表明这种新型的结构可以消散飞行器多芯片模块产生的热量,碳碳热倍增提供了一种减小温度梯度的新方法,同时这种多功能结构减少了结构的体积,降低了结构的质量。