超声速气流中结构非线性气动热弹性分析

摘要

气动弹性力学是一门研究结构和气动力相互耦合作用的学科。颤振是一种典型的气动弹性现象，它是结构在气动力、弹性力和惯性力耦合作用下发生的一种自激振动。当颤振发生以后，在气流中运动的结构将发生极限环振荡，长时间的周期振动，将使结构发生疲劳破坏。近年来，随着飞行器飞行速度的不断提高，超声速和高超声速飞行器层出不穷。这样远大于声速的飞行速度所产生的气动加热将使结构的气动弹性稳定性更加恶化，这给气动弹性问题的研究带来了新的挑战，那就是在分析中必须进一步考虑高马赫数下气动加热所引起的热效应对飞行器结构气动弹性特性的影响。因此，开展对超声速和高超声速飞行器结构气动热弹性特性的研究具有十分重要的意义。本文深入系统地研究了超声速和高超声速气流中不同材料、不同边界条件和不同结构的气动热弹性特性。
　　研究了超声速气流中复合材料层合板壳结构的气动热弹性特性。在颤振发生之前，结构系统的变形较小，因此可以采用线性小变形理论研究结构的颤振边界和稳定性区域。本文考虑面内温度载荷对结构横向变形的影响，从而得以采用线性理论建立超声速气流中层合板壳结构的运动方程。建模中采用不同的离散化方法(假设模态法和有限元法)，研究了气动载荷对结构固有模态的影响，分析了层合结构气动热弹性特性随其纤维铺设方向的变化情况。
　　深入研究了新型点阵夹芯结构的气动热弹性特性。研究对象包括二维波纹和全三角形格栅以及三维金字塔点阵夹芯结构，而夹芯结构的上下面板包括各向同性薄板和复合材料层合板。芯子结构的本构关系由等效理论模拟。分析中，采用线性频域方法研究了结构系统的颤振边界和稳定性区域。同时采用时域方法，分析了结构颤振后的非线性动力学特性，研究了芯子结构的弯曲刚度和不同参数对点阵夹芯结构气动热弹性特性的影响，讨论了点阵夹芯结构在气动热弹性特性方面的优势。
　　研究了高超声速气流中复合材料层合板的非线性流-固-热耦合问题。分析中考虑了激波对气流参数的影响，同时引入气动加热与气动载荷之间的相互作用，实现了流-固-热多场耦合分析。气动加热产生的热流通量由参考温度法求解，采用有限元方法建立平板内的瞬态热传导方程，计算了气动热弹性结构在流-固-热耦合作用下的时域响应。
　　研究了复杂边界条件和复杂结构的气动弹性问题求解方法。首先对不同边界条件下二维及三维平板结构的气动弹性特性进行分析，分别采用直接求解偏微分运动方程的方法和有限元法，分析边界条件对结构颤振特性的影响。然后研究两跨薄板结构的振动及气动弹性特性，分析不对称性对结构振动响应和颤振边界的影响。最后研究不同边界条件下，复合材料层合圆锥壳结构气动弹性特性的分析方法，对比不同求解方法的计算精度。
　　采用两种控制算法(H∞和离散LQG控制算法)，对超声速气流中含压电材料的主动气动弹性结构的非线性颤振和气动热后屈曲特性进行分析。在H∞鲁棒分析中，考虑将非线性系统线性化所引起的不确定性对结构系统的影响，采用混合灵敏度方法求解鲁棒控制问题。另外本文提出了一种离散的LQG控制算法，对主动气动弹性结构的非线性颤振和气动热后屈曲特性进行分析。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究目的和意义

1.2 超声速气流中结构非线性气动热弹性分析现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 超声速气流中结构气动热弹性模型的建立

2.1 引言

2.2 位移场

2.3 几何方程

2.4 本构关系(物理方程)

2.5 离散化方法

2.6 弹性体动力学变分原理(Hamilton原理)

2.7 本章小结

第3章 超声速气流中层合板壳结构气动热弹性分析

3.1 引言

3.2 层合板结构气动热弹性分析

3.3 复合材料层合圆柱壳气动热弹性分析

3.4 本章小结

第4章 超声速气流中点阵夹芯结构气动热弹性分析

4.1 引言

4.2 金字塔点阵夹芯结构气动热弹性分析

4.3 三角形波纹夹芯结构

4.4 全三角形点阵夹芯结构

4.5 本章小结

第5章 高超声速气流中层合板结构流-固-热耦合分析

5.1 引言

5.2 流-固-热多场耦合模型建立

5.3 本章小结

第6章 复杂边界条件及复杂结构气动弹性分析

6.1 引言

6.2 不同边界条件下二维平板结构气动弹性分析方法研究

6.3 不同边界条件下三维平板结构气动弹性分析

6.4 超声速气流中两跨平板结构气动弹性分析

6.5 超声速气流中圆锥壳结构气动弹性分析

6.6 本章小结

第7章 含压电材料主动气动弹性结构非线性颤振和气动热后屈曲分析

7.1 引言

7.2 H∞鲁棒控制分析

7.3 离散LQG控制方法

7.4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文

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致谢

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