声载荷作用下高温薄壁结构响应特性分析

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1、2010年10月沈阳航空工业学院学报第27卷第5期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringOct．2010V01．27No．5文章编号：1007—1385(2010)05—0023—06，声载荷作用下高温薄壁结构响应特性分析李纪永沙云东唐金张振(沈阳航空航天大学辽宁省数字化工艺仿真与实验技术重点实验窒，辽宁沈阳110136)摘要：先进的航空航天器表面结构暴露在严酷的-T作载荷环境中，包括复杂的机械力载荷、压力载荷、声载荷和热载荷等，航空航天器表面结构可简化为簿壁结构，在复合载荷作用下结构以非线性方

2、式响应，呈现出复杂的响应特性。首先以热弹性力学、板壳理论及结构稳定性原理为基础，建立热及噪声载荷联合作用下薄壁板运动模态方程，讨论r薄壁结构跳变响应的机理，进而运用等价线性化方法求解模态方程，在此基础上分析了热及噪声载荷对薄擘结构屈曲的影响，进而探讨了热及噪声载荷作用下薄壁结构的非线性响应统计特性。计算了四边简支高温钛合金薄板在声载荷下四个关键点处的均方应变，为进一步开展薄壁结构声疲劳寿命估算和强度设计奠定了基础。关键词：薄壁结构；大挠度非线性；热屈曲；跳变响应中图分类号：V215；V232．6文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1007—1

3、385．2010．05．006航空航天飞行器上为减轻重量，大量采用薄壁结构，如导弹的翼面、弹头，航空发动机燃烧室火焰筒，隔热防振屏等，在工作时承受着热载荷、强噪声载荷和机械力载荷所产生的高频振动应力，长期暴露在高温强噪声环境下会引起结构材料强度的改变、弹性模量的改变、非线性特性的恶化和疲劳特性的改变，载荷对结构的复杂影响导致实验难以模拟其复杂热／结构边界条件，由于薄壁结构在高温强噪声复合环境下响应体现为非线性特性⋯，因而求解单由度模型在热噪声励下的响应，也会遇到不可逾越的数学障碍L2J。飞行器壁板结构在强噪声及高温作用下的动态响应分析有两种典型的方式悼j，第

4、一种用简单的模型和可靠的近似手段把问题简化成相应的随机振动问题旧。61；第二种方式是建立有限元模型，利用蒙特卡洛法、降价法等处理有限元方程"qj。本文采用第一种方法，建立单自由度模型，利用等价线性化方程处理模态方程，分析比较了热载荷及声载荷对结构的贡献，并提供结构在不同声压级和温收稿日期：2010一09一06基金项目：航空基础科学基金资助基金项目(项目编号：02C5伽7)作者简介：李纪永(1985一)，男，山东临沂人，硕士研究生，主要研究方向：航宅发动机强度、振动及噪声，E—mail：ljynav@163．corn；沙云东(1966一)，男，黑龙江阿城人，教

5、授，主要研究方向：航空发动机强度、振动及噪声，E—mail：ydsha2003@vip．aina．tom．度范围内的位移及应变均方响应特性。1薄壁板结构大挠度运动控制方程依据薄板稳定性理论，薄板大挠度振动方程可表示为：D74彬+墨V2鸭=巩，磐+Nyy0d2．---y竺w+2％翥+R(1)相应的形变协调方程为：v4F+E“V2他=一冬}￡(加，埘)(2)公式(1)，公式(2)即为冯卡门大挠度微分方程。式中0为温升，0=T一％，(％为环境温度)，No，车=hO，Mo=l。。Ozdz，为温度弯矩的折算值，F为Ai哆应力函数，Nxx=0a2'，F2，％=a以2_F

6、F2，％=c『'，cl石一嵩，争(㈣)：虿02iV萨02iV一(舄)2,E为弹性模量，肛为泊松比，Ol为热膨胀系数。R包括惯性力、阻尼力和噪声载荷引起的压力。本文假设薄板的温度场分布均匀，无温度梯度。设环境温度为％，临界屈曲温度为乙，薄板的温度为丁，则屈曲系数可表示为：沈阳航空工业学院学报第27卷s=等㈩可根据静力平衡方程给出四边简支板的屈曲温度为：．L=霄2h2(矿+1)／12ab2(1+肛)(4)式中：芦=b／a，口、b分别为板的宽度和长度。噪声激励载荷为有限带宽高斯白噪声，其幅度服从高斯分布，功率谱密度均匀分布。其功率谱密度为：Gp(力=4／Ⅳ×10‘

7、常。10’(5)Ⅳ为声载荷频率带宽，SPL为声压级。2声载荷作用下高温薄壁结构模态方程利用Galerkin法将薄板在高温强噪声作用下的大挠度运动方程化为二阶常微分方程归o，并推导出单自由度无量纲模态方程为：蚕+‰手；+‰2(1一s)g+kq3=p(t)(6)式中各系数含义如下：g为位移的广义坐标，；=加“=鲁拟l’y．I)2q(t)hsin,trxsinlT'y；A盂2tt；q=≯渺(1’y．I)2乃2÷[(1一矿)(1+矿)+2(矿+彬+1)]；l

8、}=4A；Wo=(1+矿)，f表示阻尼比，p(t)表示声载荷产生的压力。非线性系统在噪声激励下的响应统计特性

9、计算多采用近似计算方法‘io-113，如等效线性化方