陶瓷基防隔热结构高温环境振动特性实验研究及模型修正

摘要

应高超声速飞行器热防护系统动力学研究的需求，本文展开了对一体化的陶瓷基复合材料飞行器防隔热结构在热环境下的振动特性的研究。主要针对该类结构在高温及大梯度的热环境中的固有频率及阻尼特性展开研究，旨在理解热环境对结构固有振动特性的影响机制，得到在高温大梯度的热环境中的结构振动特性的行之有效的估算方法，进而为其他相关问题研究以及降低研发成本尽一点力量。本文对陶瓷基防隔热结构及防隔热承力一体化复合结构，通过实验方法及数值仿真的方法研究了高温环境的固有频率，阻尼特性。探索这类复合材料结构高温振动实验方法，研究该类结构高温环境动力学模型修正方法。
　　首先，开展对高性能防隔热结构及防隔热承力一体化结构热环境下振动特性的实验研究。进行了模拟实际飞行工况的高温大梯度环境下的结构固有频率受影响情况的研究。由于高温和大梯度环境下结构热应力对边界条件比较敏感，因此对于不同边界条件的工况分别进行实验研究，分别给出了自由及固定边界条件的结构固有频率受温度环境影响情况及其物理机制。
　　然后，对陶瓷基复合材料及金属构成的复合板结构在高温大梯度环境中展开了阻尼特性的测试实验，根据实际工况对试验件开展实验研究，由于阻尼特性的测试方法大多具有较大的离散性，因此实验工况保持了高度的一致性，并进行多次实验以消除不确定因素造成的阻尼测量误差。
　　根据实验实际得到的情况，结合热结构问题的理论研究，开展对热环境下复合板结构固有频率影响情况及其机制的研究，得到了在不同边界条件下的复合板的固有频率特性受温度影响的规律，分析了实验中热应力对结构固有频率特性的影响，给出了研究该类结构的有限元模型，并根据该有限元模型得到较为合理的振动特性计算结果，为更复杂结构的计算奠定基础。
　　根据黏性阻尼模型，给出了带有待定系数的估计高温环境模态阻尼比的计算公式，通过四边固支边界条件的实验结果用线性回归方法确定了计算公式中的待定系数，分析了高温环境阻尼比估算经验公式的适用条件，证明该经验公式具有较大的适用范围，并通过单边固支实验进行验证，结果证明该经验公式对于估计该类陶瓷基复合板结构沿法线方向存在温度梯度情况下的弯曲模态阻尼比具有非常高的精确性，对于扭转模态及其他含有扭转振型的耦合模态精确性次之。使用给出的经验公式利用有限元计算得到的频率结果进行对高温环境阻尼比的估算，得到了非常好的结果，证明该经验公式能够利用有限元计算结果对高温环境的阻尼比进行有效的估计，大大节省了实验研究所需要消耗的人力物力。
　　针对本文所研究结构，开展了有限元计算方法的模型修正工作，首先对常温模型进行基于实验数据的参数修正，在此基础上开展高温环境振动特性计算的模型修正方法研究，考虑热应力对边界条件的敏感性，对此展开了热应力附加刚度阵的修正方法研究。基于实验数据给出了一种基于优化算法的热应力附加刚度阵的模型修正方法。
　　最后，开展了热环境下结构动响应计算的工作。首先进行了稳态热环境下的结构稳态动响应的分析，并将计算结果与实验结果相对比，模型对该类结构稳态热环境下的稳态动响应结果估算较为准确。然后进行了稳态热环境下的结构瞬态动响应分析，所有动响应分析中考虑了结构组成材料参数受温度影响的改变造成的结构刚度阵的改变以及高温大梯度造成的结构内部热应力对结构产生的附加刚度的影响，并根据实际阻尼受温度影响的研究结果生成结构阻尼矩阵。
　　综上，本文通过实验手段和数值计算相结合的方法研究了陶瓷基防隔热结构在高温环境中的振动特性。建立了一套合理的陶瓷基防隔热结构高温环境振动特性试验方案，揭示了陶瓷基面板/泡沫夹芯三明治结构以及与金属承力复合结构的振动特性影响机制；提出了高温环境下适用于各种常规边界条件的模态阻尼比估算经验公式；提出了一种以热应力引起的附加刚度为修正变量的高温环境结构动力学模型修正方法。

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第1章 绪论

1.1课题研究目的和意义

1.2热防护系统的发展及现状

1.3热环境动力学问题研究现状

1.4高温环境阻尼特性研究

1.5高温结构动力学模型修正研究

1.6本文研究的主要内容

第2章 高温环境陶瓷基防隔热结构热振动实验

2.1引言

2.2复合材料三明治板实验

2.3三明治板和金属板的复合板实验

2.4实验可靠性验证

2.5陶瓷基防隔热结构热环境振动实验方法研究

2.6本章小结

第3章 高温大梯度环境陶瓷基复合结构固有振动特性研究

3.1引言

3.2结构固有频率受温度影响规律

3.3三明治板固有振动特性研究

3.4复合板固有振动特性研究

3.5误差来源分析

3.6本章小结

第4章 高温环境复合板阻尼特性研究

4.1引言

4.2阻尼测试方法评估

4.3阻尼受温度的影响

4.4高温环境阻尼比经验公式

4.5经验公式结合有限元结果计算阻尼比

4.6误差分析

4.7本章小结

第5章 热环境下基于实验数据的模型修正及动响应计算

5.1引言

5.2常温环境的模型修正

5.3高温环境应力计算边界条件修正

5.4稳态热环境下稳态动响应计算

5.5稳态热环境下结构瞬态动响应计算

5.6本章小结

结论

A.附录A

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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