毕业论文范文——高温环境下薄壁结构声激励响应及疲劳分析

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1、推进技术第卷西安航空职业学院毕业论文高温环境下薄壁结构声激励响应及疲劳分析与试验研究姓名：专业： 航空电子班级：完成日期：指导教师:推进技术第卷摘要：针对航空发动机薄壁结构热声疲劳问题，采用耦合的有限元/边界元法(FEM/BEM)，结合VAOne软件，对GH188薄壁结构进行动力学响应计算，采用改进的雨流计数法和Morrow平均应力模型，结合Miner线性累积损伤理论对结构疲劳寿命进行了预估。基于高温行波管试验器开展了GH188薄壁结构高温声激振疲劳试验研究，获取了薄壁结构在不同温度和声载荷作用下的模态频率、应力/应变响应和疲劳寿命结果。仿真计算结果与试验结果对比分析表明：数值仿真对结构破坏

2、位置判断准确，破坏位置均为结构根部，结构一阶热模态频率具有一致性，误差0.49%~2.09%之间，X方向动应力响应峰值集中在基频附近，随温度升高，结构发生软化刚度下降，响应峰值向左发生偏移，且预测水平与试验一致，误差在1%~3%之间，验证了薄壁结构热声响应计算方法与计算模型的准确性。结构疲劳寿命随温度和声压级的上升而均呈现下降趋势，疲劳破坏时间的预估值与试验结果在一个量级之内，误差在3~3.5倍之间，满足工程级寿命预测要求，验证了薄壁结构热声疲劳寿命预估方法的有效性。关键词：薄壁结构；热声疲劳；仿真分析；试验研究1引言随着新一代航空发动机整体性能的提升，航空发动机火焰筒中的高温合金薄壁结构也

3、随之承受着更为严峻的高温载荷、高声压级噪声载荷及高速流动的气动载荷。由于载荷的复杂性，薄壁结构热声疲劳寿命问题难以解决。因此，为了预估大推重比、高负荷航空发动机的使用寿命，降低研究成本，得到有效的薄壁结构在高温强噪声环境中的应力响应及疲劳寿命分析方法变得极为迫切。国外关于热声载荷作用下薄壁结构的应力、应变响应问题的数值分析方法主要包括：小挠度板理论、Rayleigh法、VonKarman大挠度理论、Galerkin法、等效线性化法（EL）和有限元法（FEM）。C.W.Schneider[1]通过小挠度板理论结合Rayleigh法预测了均匀温度作用下四边简支矩形板的刚度变化趋势。C.Mei和C

4、.B.Prasad使用Galerkin法对噪声试验中响应峰变宽和频率增加现象做出了解释[2]。Lee[3-5]采用等效线性化法（EL）得到了高温热噪声环境中结构应力、应变响应的均方值和有效值。Rizzi[6]使用有限元法（FEM）结合NASTRAN商业软件计算了简支板在随机声激励下的动态响应。国外关于热声方面的试验研究开展较早，Schneider[7，8]对薄壁结构的热声疲劳试验进行研究，与此同时Jacobson[9]针对复合材料结构板开展热噪声疲劳试验。美国NASALangley研究中心以C/SiC、C/C、陶瓷基复合材料为研究对象进行了高达1000℃、高声压级的材料疲劳失效试验[10-1

5、2]。Croop[13]研究了热防护系统噪声试验中的响应和失效问题。国内北京航空航天大学曹国茂[14]提出了声激励下薄壁结构响应谱估算方法。北京航空航天大学金奕山[15]对航空发动机声疲劳寿命预估方法进行了讨论与分析。四川大学李久楷[16]针对TC17钛合金高温超高周疲劳进行了试验研究并对结构裂纹扩展规律进行了总结。沈阳航空航天大学沙云东基于航空薄壁结构热声疲劳问题，采用等价线性化方法、PDE/Galerkin法、FEM/BEM法先后对薄壁结构高温环境下声激振应力/应变响应规律进行了计算与分析，并讨论了温度和声压级变化对结构振动响应的影响规律[17-20]在响应结果的基础上，采用改进的雨流计

6、数法针对航空发动机高温声疲劳寿命问题进行了研究。尽管国内专家学者针对航空薄壁结构热声疲劳问题开展了大量的研究工作，但关于薄壁结构高温声疲劳方法有效性及准确性的试验验证尚未开展。本文针对薄壁结构高温声疲劳寿命问题开展了大量的试验工作，获取了可靠的试验数据。并且在上述试验工作的基础上，针对更为复杂的有限元计算模型，采用耦合的FEM/BEM方法，结合VAOne软件进行了振动响应计算。同时采用温度场的形式对薄壁结构进行了温度载荷的加载，使温度载荷跟接近实际工况。分析不同温度场和声压级作用下结构的振动响应。并采用改进的雨流计数法估算出结构的疲劳寿命。将热声试验测得的响应结果和疲劳寿命结果与数值仿真结果

7、进行对比，对仿真分析方法的有效性和精度进行了验证。研究内容为航空发动机薄壁结构热声疲劳寿命问题提供了有效的计算方法，为高超音速飞行器热端部件薄壁结构的强度设计及结构完整性设计提供依据。2理论方法2.1平板结构动力学控制方程Kirchhoff-Helmholtz积分方程在声波和固体结构间的交互作用的相关内容中阐明了某任意结构上表面振动谐运动与周围流体中辐射声压场的关系，它是：（1）式中为声场中某接受体位置矢量；