高超音速绕钝楔流场及结构对冲击的响应研究

摘要

高超音速飞行器的设计需要涉及到很多学科，是以高超音速空气动力学为基础，涉及到跨学科、多领域的复杂问题。其中，高超音速空气动力学及气动加热问题、结构和材料技术是高超音速飞行器设计的主要的技术难点。在这样的技术背景下，考虑到，一方面，在飞行器的飞行环境中会存在脉动冲击的流动扰动，例如飞行器可能遭遇的爆炸冲击波、来流不均匀等都会对飞行器的流动特性和结构力学特性有显著的影响;另一方面，在高超音速飞行器加工，特别是飞行过程中，也存在遭遇固体结构撞击的可能，如哥伦比亚号航天飞机在起飞阶段机翼的前缘处由于遭受泡沫绝缘材料的冲击，导致了加强的碳碳面板失效;又如，在遭遇拦截弹拦截时，飞行器不仅可能遭遇冲击波载荷的作用，也可能遭遇弹片的冲击;还有，由于高超音速飞行器飞行轨道决定了其也存在遭遇空间碎片的可能。总的来说，无论冲击波还是固体撞击，都是高超音速飞行器是飞行环境中实际存在的威胁。特别是，在飞行器外表面存在严重气动加热的情形下，冲击作用对流动和结构的影响可能更显著，更复杂。鉴于此，本文研究了高超音速流场及结构对包括冲击波和固体撞击等冲击作用的响应特征。主要有以下几个方面:
　　(1)介绍了采用高阶精度有限差分格式直接求解完全Navier-Stokes方程模拟非定常流场的方法。即采用S-W通量矢量分裂方法将Navier-Stokes方程中的无粘项分解为正、负通量项，并采用五阶迎风WENO格式分别对正、负通量项进行离散。对于粘性项，采用六阶中心差分格式进行离散。采用显式的三步三阶TVD Runge-Kutta格式进行时间推进求解，并验证了构造的直接数值模拟(DNS)方法的可靠性。同时也介绍了基于Abaqus用户子程序的冲击载荷下结构热力耦合分析方法，包括Johnson-Cook模型和三维复合材料渐进损伤模拟方法等。
　　(2)采用构造的高阶直接数值模拟方法直接求解Navier-Stokes方程，研究了自由流脉冲波作用下，高超音速流场对来流脉动冲击波的响应及边界层稳定特征，分析了自由流脉冲波与激波、边界层之间的相互干扰及高超音速边界层内扰动模态的生成及其演化特征。同时分别研究了壁温、扰动频率、脉冲波类型的影响，分析了不同壁温、不同扰动频率和不同脉冲波类型条件高超音速流场及边界层的响应特征，获得了他们对高超音速边界层内扰动模态的生成及其演化特征的影响。
　　(3)基于直接数值模拟脉动冲击波作用下钝楔高超音速非定常流场计算结果，分别分析了一种混合自由流脉冲波和慢声脉冲波作用对钝楔壁面包括压力、壁面摩擦系数、密度、温度、热流密度等气动热力学参数的影响，给出了壁面参数对自由流脉冲波的响应规律，分析自由流中流动参数扰动对钝楔壁面当地流动参数的影响程度。并基于直接数值模拟方法得到的壁面压力载荷结果，采用ABAQUS有限元软件模拟自由流脉动冲击波作用下结构的瞬态力学响应，给出了自由流脉冲波作用下结构应力、应变和位移等的变化规律，分析了壁面压力载荷变化对结构响应的影响。
　　(4)基于Abaqus/Explicit，采用用户子程序VUMAT、Johnson-Cook模型，数值模拟了不同热载条件下的碳纤维-金属层板的高速冲击响应。分析了纤维金属层板的冲击动态响应及其渐进损伤，重点讨论了热载对抗冲击性能的影响。比较分析了不同热载下纤维金属层板的失效模式，获得了热载对纤维金属层板失效模式的影响特性。同时，基于瞬态传热和热力耦合理论，分析了波纹夹芯热防护系统瞬态传热，研究了波纹夹芯防护系统的热力耦合机制，并讨论了热防护系统的防热性能及热力学响应的影响因素。并分别模拟了不同气动加热条件下热防护系统C/C面板的冲击响应，分析了热载对热防护系统耐高温面板抗冲击性能的影响，给出了不同热环境下热防护系统C/C面板的冲击响应特征。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的背景和意义

1．2 国内外相关研究现状

1．2．1 扰动与脉动冲击扰动对流场气动特性及边界层稳定性影响的研究进展

1．2．2 冲击／扰动对结构力学特性的影响进展

1．2．3 热防护系统和结构的热力耦合分析及其冲击响应的研究进展

1．3 主要研究内容

第2章 基本理论及数值方法

2．1 NAVIER-STOKES方程

2．1．1 基本形式

2．1．2 坐标变换

2．1．3 无纲量化

2．2 直接数值模拟方法

2．2．1 直接数值模拟

2．2．2 通量矢量分裂方法

2．2．3 迎风加权本质无振荡格式

2．2．4 中心差分格式

2．2．5 时间离散格式

2．2．6 DNS数值格式验证

2．3 基于Abaqus用户子程序的冲击载荷下结构热力耦合分析方法

2．3．1 Johnson-Cook模型

2．3．2 复合材料层渐进损伤的三维Hashin失效准则

2．4 本章小结

第3章 脉冲波作用下高超音速绕钝楔流场的响应特征分析

3．1 引言

3．2 脉冲扰动作用下高超音速流场的响应及边界层感受性

3．2．1 模型及计算条件

3．2．2 脉冲慢声波作用下高超音速流场及边界层特征分析

3．2．3 脉冲快声波作用下高超音速流场及边界层特征分析

3．3 流动参数的影响

3．3．1 壁温影响

3．3．2 频率影响

3．3．3 脉冲波类型影晌分析

3．4 本章小结

第4章 脉动冲击波作用下高超音速钝楔的结构响应分析

4．1 引言

4．2 一种自由流脉冲扰动下高超音速钝楔的结构响应

4．2．1 对高超音速钝楔壁面参数的影响

4．2．2 结构响应分析

4．3 脉冲慢声波作用下高超音速钝楔的结构响应

4．3．1 脉冲慢声波作用下高超音速钝楔壁面参数分析

4．3．2 脉冲慢声波作用下结构响应分析

4．4 本章小结

第5章 纤维金属层板和热防护系统的热力耦合分析及冲击响应研究

5．1 引言

5．2 热载下纤维金属层板冲击动态响应过程模拟及分析

5．2．1 模型及有限元模拟过程

5．2．2 纤维金属层板冲击动态响应分析

5．3 高超音速飞行器热防护系统传热、热力耦合分析及冲击响应研究

5．3．1 传热与热力耦合分析

5．3．2 热防护系统耐高温三维三向C／C复合材料面板的冲击响应分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢