高温环境对结构动态特性影响及模型修正方法研究

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• 论文作者：张忠 ; 李海波 ; 秦朝红 ; 郭静 ; 程昊
• 年：2016
• 作者机构：北京强度环境研究所可靠性与环境工程技术重点实验室;
• 论文关键词：热模态 ; 模型修正 ; 多场耦合 ; 代理模型
• 会议召开时间：2016-05-06
• 会议录名称：第十届动力学与控制学术会议摘要集
• 语种：中文
• 分类号：TJ760
• 学会代码：AGLU
• 会议名称：第十届动力学与控制学术会议
• 会议地点：中国四川成都
• 主办单位：中国力学学会动力学与控制专业委员会
• 学会名称：中国力学学会
• 页数：2
• 文件大小：743k
• 原文格式：D
• 会议级别：全国

摘要

高超声速飞行器以高马赫数飞行,其气动加热使结构承受很高的温度,导致结构力学性能下降,同时产生不均匀的热变形和热应力,影响了结构刚度,改变了结构的固有振动特性,影响到导弹武器系统整体的静、动特性。气动力、气动热、结构振动相互作用,组成复杂的多场耦合系统,高超声速飞行器对力热复合环境建模提出了更高更苛刻的技术要求。目前,高超声速飞行器结构形式主要为复杂复合材料结构,随着加热温度及加热速率不断提高,温度场分布非常复杂,温度的量级也越来越高,新的材料结构、复杂的载荷环境使得高温结构动力学建模与修正技术成为目前研究的一个热点和难点。针对高超声速飞行器的载荷环境特点,对热-力-结构物理场的耦合关系进行了研究,建立了考虑静态变形和动态振动耦合的动力学模型,分析了模态势能随温度变化的规律,获得了模态频率随温度的变化规律。对建立的壁板结构有限元模型,通过NASTRAN软件进行非线性摄动模态分析,基于DMAP语言提取壁板结构的单元切线刚度阵,并进行模态能量的计算,分别分析不同温度水平,不同温度空间分布条件下的模态势能的空间变化规律,研究结果表明,热应力对结构动态特性的影响较大,不均匀热应力的存在会使得结构模态能量空间分布发生变化,不同条件下会产生或刚化或软化不同的影响效果,导致出现模态振型变化、模态跃迁等现象。结合温度场与结构振动特性耦合机理,深入分析了传统修正方法的不足,形成包含温度场修正、变形场修正、热模态修正三步修正策略。在进行变形场修正时,热膨胀系数、边界刚度等占主导,在进行热模态修正时,弹性模量、剪切模量(或泊松比)等占主导,使得修正过程更加合理,修正难度降低。由于热模态为非线性摄动模态,修正参数对修正目标的灵敏度变化规律非常复杂,直接采用灵敏度方法修正会有较大困难,本文采用代理模型的方法进行模态修正,研究了不同代理模型对热模态的近似精度,研究结果表明Kriging模型对于此类非线性问题具有较好的逼近精度。最后,以某复合材料结构为研究对象,开展了热模态试验研究,并对其高温动力学模型进行了修正,计算结果与试验结果吻合较好。

引文