新型炮风洞冲击活塞综合设计及力学行为研究

摘要

炮风洞能够产生高超声速流场，是一种极其重要的研制高超声速武器的空气动力学地面试验装置。活塞作为炮风洞的重要部件之一，其综合设计品质不仅直接影响风洞试验数据，而且活塞成本高昂，其使用寿命直接关系到风洞运行成本。由于炮风洞活塞实际运行工况复杂，给活塞结构的理论分析带来极大困难。因此，如何在给定的尺寸、质量和工况条件下，通过开展新型活塞结构的综合设计，研究活塞的静载力学特性，分析活塞的冲击动力学响应规律，提出新型活塞结构形式，具有重要的研究价值和工程意义。 本文首先根据拓扑优化方法，初步确定结构的主承压部结构型式，并结合约束条件，提出活塞结构的概念性设计方案。经过分析对比概念性设计方案，开展了活塞结构主承压部和裙部的细节设计和计算，提出了活塞结构裙部和主体承压部的一体化设计思想。然后，基于新型活塞结构构型设计方案，建立了新型活塞结构静载分析有限元模型，着重分析了活塞主承压部的承载能力和裙部的径向抗侧压能力，以校核评估新型活塞结构的静压承载特性。最后，研究了新型活塞结构固有频率及模态等振动特性，分析了结构谐响应规律，并通过建立活塞结构非线性动力学模型，重点研究了新型活塞结构正撞刚性墙动力学响应规律，尤其是结构应力、应变和能量随时间历程的变化历程，并通过与原有活塞对比，验证了现有活塞结构设计的合理性和有效性。同时，通过建立含缓冲装置的动力学模型，发现缓冲装置能有效地保护活塞结构，并讨论了缓冲装置力学参数对活塞结构冲击行为动响应的影响规律。 研究表明，新型活塞结构型式一方面提高了活塞结构的综合结构强度，有望降低炮风洞使用成本，另一方面，本文工作为炮风洞活塞结构后续优化设计提供了重要的理论基础和参考依据。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2.1 冲击活塞结构形式研究现状

1.2.2 金属动态本构研究现状

1.2.3 活塞冲击动力学研究现状

1.3 研究内容

1.4 论文结构安排

第二章 活塞力学建模理论基础

2.1 引言

2.2 有限元优化设计方法

2.2.1 结构优化方法

2.2.2 结构拓扑优化方法

2.3.1 弹塑性本构关系

2.3.2 材料应变率

2.3.3 2A12铝合金动态本构关系

2.4 非线性有限元方法

2.4.1 显式积分算法

2.4.2 非线性接触方法

2.5 本章小结

第三章 新型活塞结构设计与优化

3.1 引言

3.2.1 设计要求

3.2.2 拓扑优化数学模型

3.2.3 活塞主承压部优化结果

3.3 活塞概念型设计方案

3.4.1 主承压部结构细节优化设计

3.4.2 活塞裙部细节优化设计

3.5 本章小结

第四章 新型活塞静载承压力学特性研究

4.1 引言

4.2 活塞静载有限元力学建模

4.2.1 单元网格离散

4.2.2 边界条件与载荷施加

4.2.3 材料定义及单元截面特性赋予

4.3 典型工况下活塞静载力学特性分析

4.3.1 新型活塞结构主承压部静强度与刚度分析

4.3.2 新型活塞结构裙部静强度和刚度研究

4.4 新旧活塞静载对比分析

4.4.1 新旧活塞结构主承压部对比分析

4.4.2 新旧活塞结构裙部对比分析

4.5 本章小结

第五章 新型活塞振动特性与冲击动力学行为研究

5.1 引言

5.2.1 模态分析基本理论

5.2.2 无约束状态下模态分析结果

5.2.3 撞击部固支约束下的活塞模态分析结果

5.2.4 两种约束条件下仿真结果对比分析

5.3 新型活塞结构谐响应分析

5.3.1 模态叠加法基本理论

5.3.2 新型活塞结构谐响应结果分析

5.4 新型活塞结构与刚性墙冲击动力学分析

5.4.1 新型活塞结构与刚性墙冲击动力学建模

5.4.2 新型活塞动态响应分析

5.4.3 新型活塞与原有活塞冲击对比分析

5.5.1 缓冲原理

5.5.2 缓冲器对活塞冲击影响有限元分析

5.5.3 不同参数对缓冲性能的影响

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献