FGM板三维层合模型及热-噪声载荷下的动态响应研究

《FGM板三维层合模型及热-噪声载荷下的动态响应研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun252013V01．34No．61293．1300ISSN1000-6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cnFGM板三维层合模型及热一噪声载荷下的动态响应研究贺尔铭*，胡亚琪，张钊，赵志彬西北工业大学航空学院，陕西西安710072摘要：为了有效地分析热一噪声联合载荷作用下的飞行器功能梯度壁板结构的非线性动态响应，提出了运用复合材料多层壳单元建立功能梯度材料(

2、FGM)板的层合有限元建模新方法，研究了FGM板在热曲屈前、后状态下复杂的非线性时域动态响应特性，并探讨了梯度指数、热曲屈系数及声压级(SPL)等参数对FGM板非线性动态跳变响应的影响规律。FGM板三维层合建模新方法避免了采用常规有限元法(FEM)建模时需要在厚度方向划分大量单元的缺点；求解FGM板非线性动态响应时采用的隐式积分方案避免了模态叠加法对参与模态选择的经验性要求及模态截断造成的信息丢失等缺陷。仿真结果表明：FGM板层合有限元建模新方法合理可行、过程简便、计算精度高；研究发现：陶瓷一金属FGM板在

3、热屈曲后的抗声振性能并不像热屈曲前那样介于金属板和陶瓷板之间，而是表现最差；热屈曲系数及声压级的组合形式是导致FGM板发生非线性跳变响应的主要影响因素。关键词：功能梯度材料板；层合有限元模型；热一噪声载荷；动态响应分析；非线性跳变；仿真中图分类号：V214．4+3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)06—1293—08功能梯度材料(FunctionallyGradedMateri—als，FGM)特别适用于航天结构中的高落差温度环境，其材料要素沿某一方向呈连续梯度变化且基本消除了宏观界面，

4、其力学性能远高于传统的层合式复合材料[1]。由陶瓷和金属复合而成的FGM已逐渐成为高速空天飞行器及涡轮发动机等耐高温结构元件的首选材料，而FGM结构在气动、热及噪声载荷等联合作用下会呈现出复杂的非线性响应特性[2]。尤其是，结构的热曲屈效应对声载荷作用下结构的动态响应具有很大的影响，因此有必要对FGM结构在热一噪声联合载荷作用下的动态响应特性进行深入研究。虽然国内外诸多学者针对FGM结构的静力、动力问题的解析方法做了大量的研究工作[3。5]，但由于FGM材料性质的特殊性及解析研究方法的繁杂性，目前仅能得到某

5、些简单FGM结构的解析解[6]，使其工程应用受到极大限制。关于FGM结构的数值建模方法研究，由于常规有限元法(FEM)需要在FGM板的厚度方向划分大量的单元而使计算工作量巨大，因此建立针对FGM板结构特点的有限元改进方法是十分必要的L7J。Ferreiral80和Qian[93等曾基于无网格法建立了FGM板的无网格计算模型，虽然无需在厚度方向划分单元，但因涉及复杂的无网格插值及需要较大的带宽，从而计算量依然较大，并且无网格法没有成熟的商用软件使其工程应用受到极大收稿Et期：2012—07—11；退修日期：2

6、012—09—18；录用日期：2012—10—30；网络出版时间：2012—11—2711：11网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／11．1929．V．20121127．1111006．htmI基金项目：国家自然科学基金(50775181)；航空科学基金(2012ZB53019)；高等学校博士学科点专项科研基金(20116102110002)；西北工业大学基础研究基金(NPU-FFR—JC20110237)*通讯作者Tel：029—88495451E-mail：heerming@n

7、wpuedu．on引用格式

8、HeEM．HuYQ．ZhengZ。etal．3一Dlaminatedmodelanddynam，cresponseanalysisofFGMpanelsinthermal-acousticenviron—ments．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2013．34(6)：1293—1300．贺尔铭，胡亚琪。张钢．等FGM板三维层合模型及热．噪声载荷下的动态响应研究．航空学报．2013．34(6)：1293．1300．航空学报Jun．25201

9、3VoI34No．6的限制[1⋯。关于板结构的热一声振动特性研究，文献[11]--文献[14]对随机激励作用下金属热板的动态响应进行了大量的实验研究，发现了受热板在大变形振动过程中存在着复杂的非线性跳变响应和模态聚集现象。Woo等口5]基于vonKarman大挠度板理论及混合傅里叶级数法研究了不同梯度指数下FGM板的响应特性。Parveen和Reddy[161基于一阶剪切变形板理论，研究了一维温度场中矩形FGM板