高超声速翼面的流固热多场耦合分析

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1、中图分类号：V215.3论文编号：102870115-S009学科分类号：080102硕士学位论文高超声速翼面的流固热多场耦合分析研究生姓名徐飞学科、专业固体力学研究方向气动弹性力学指导教师韩景龙教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一五年三月INanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringMulti-FieldCoupledFluid-Thermal-Structu

2、ralAnalysisofHypersonicWingAThesisinSolidMechanicsbyXuFeiAdvisedbyProf.HanJinglongSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2015II南京航空航天大学硕士学位论文承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其

3、他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：III高超声速翼面的流固热多场耦合分析摘要热气动弹性分析是高超声速飞行器研制过程中的关键技术之一。热气动弹性问题涉及计算空气动力学、计算结构动力学、计算热力学等多门学科，属于典型的流固热多场耦合问题。本文在全面回顾热气动弹

4、性分析方法的基础上，采用了一种多场耦合方法，将CFD与ANSYS热-结构场求解器相结合，实现各场之间的全耦合求解，并利用该方法研究了典型高超声速翼面的热气动弹性问题，主要工作有：建立了典型高超声速飞行器翼面模型，分别利用CFD程序和ANSYS软件求解其流场和结构参数，通过耦合平台完成流场和结构之间的数据交换，实现多场耦合分析。研究了该模型的静热气动弹性配平问题，同时还讨论了材料属性变化和热应力对结构的影响。结果表明，对于本文模型，气动加热使结构刚度和模态频率降低且弯-扭模态逐渐靠近；结构刚度下降主要由材料属

5、性变化所引起，热应力的影响很小，而结构变形主要由材料热膨胀所引起。以热配平结果为初始条件，在配平基础上对结构施加扰动，研究了配平后模型在此扰动下的热气动弹性响应问题，结果表明气动热的作用使模型的气动弹性特性发生改变，颤振速度大幅降低，其中材料属性变化起主要原因。采用多场耦合及分段求解的方法，研究了翼面模型在气动热作用下的瞬态加热问题，以及加热过程中结构力学特性和气动弹性特性随时间的变化规律。结果表明，结构经过一段时间的加热最终达到热平衡状态，其中在初始阶段升温较快，之后趋于平缓。结构的模态频率随时间逐渐下降

6、，初始阶段下降较快，之后逐渐趋于热配平后的模态，而其颤振速度也呈现同样的变化趋势。关键词：高超声速，多场耦合，热气动弹性，热模态分析，颤振IV南京航空航天大学硕士学位论文ABSTRACTAerothermoelasticityanalysisisoneofthekeytechnologiesofhypersonicvehicleresearch.AerothermoelasticityisatypicalCFD/CSD/CTDmulti-fieldcouplingproblem,mainlyinvolvin

7、gcomputationalfluiddynamics,computationalstructuraldynamicsandcomputationalthermaldynamics.Basedonacomprehensivereviewoftheaerothermoelasticityanalysismethod,amulti-fieldcouplingmethodisusedinthepapertoactualizethefull-couplinganalysisbycouplingCFDwithANSY

8、S,Themainworksinvolving:Modelatypicalhypersonicwing,andsolvetheflowfieldandstructureparametersofitrespectivelybyusingCFDprogramandANSYSsoftware,andcompletethedataexchangebetweenCFDandANSYSbythecouplingplatfor