毕业论文范文——薄壁结构在热-声-流动载荷作用下疲劳寿命预估

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1、西安航空职业学院毕业论文薄壁结构在热-声-流动载荷作用下疲劳寿命预估姓名：专业： 航空电子班级：完成日期：指导教师:摘要针对航空发动机薄壁结构在热-声-流动载荷作用下疲劳问题。结合VAOne软件的耦合有限元/边界元法（FE/BEM）及应力恢复功能，针对高速气流中四边固支的GH188材料薄壁柱壳结构进行动力学响应计算。研究了不同温度场和不同声压级组合下，薄壁结构危险点位置处X方向应力响应规律。基于改进的雨流计数法绘制出结构应力响应的雨流循环矩阵和雨流损伤矩阵，分别对应力循环和结构损伤程度进行分析。结合Morrow平均应力模型和Miner线性疲劳累积损伤理论对薄壁结构的疲劳寿

2、命进行预估。结果表明：相同声压级下，临界屈曲温度前，结构应力响应随温度升高而增大，屈曲后响应随温度的升高而减小；响应曲线先向左发生偏移，然后向右偏移，疲劳寿命先减小后增大；相同温度下，结构应力响应随声压级的升高而增大，响应曲线不发生偏移，结构疲劳寿命线性下降。关键词薄壁结构热-声-流动载荷响应分析寿命预估随着发动机性能的提升，广泛的应用在航空发动机火焰筒中的高温合金薄壁结构也随之承受着更为严峻的高温载荷、高声压级噪声载荷及气体高速流动的引起的气动载荷。当外部噪声载荷的频率特性与处于高温高速气流中薄壁结构自身的动态特性相互耦合时，结构就会产生明显的应力、应变以及位移动态响应

3、。在由噪声引起的快速交变应力作用下，薄壁结构会发生疲劳破坏。导致结构在应力集中位置或缺陷部位产生裂纹，结构因此发生失稳，寿命也随之降低。由于载荷的复杂性，薄壁结构在热-声-流动载荷作用下疲劳寿命预估问题一直缺乏可行的解决办法。国外在该方向的研究工作开展较早，其中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。R.X.Chen和C.Mei使用FEM和EL法研究了热声载荷作用下梁的非线性随机响应[2]。Rizzi[3]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。B

4、.Yang[4]推导了杜芬振荡响应的峰值概率密度函数，结合单谱矩法，预测温度对结构疲劳寿命的影响。Rizk[5]获得了二维情况下流体流过加热平板的稳态耦合传热问题的理论解。Theordosen[6]针对非定常气动载荷作用下的面翼形进行了模拟。加拿大Ziada[7]对储气库中压气机进气口的声共振现象进行了记录。M.H.Hieken[8]对标准试件开展了高温声疲劳试验，并讨论了热、声载荷对结构疲劳寿命的影响规律。国内针对航空薄壁结构在高温载荷、噪声载荷以及气动载荷作用下疲劳寿命问题的研究日益深入。高金海等[9]采用热-流-固耦合方法对火焰筒环形回流燃烧室壁温三维模型进行了数值

5、模拟。艾延廷[10]等对燃烧室热-声-固耦合作用下模态振型进行了仿真分析。沈阳航空航天大学，沙云东科研团队针对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[11一14]。其中，王建[15]对薄壁加筋结构在高温强噪声环境下动态响应和疲劳寿命开展了仿真分析及试验验证。尽管国内专家学者针对航空薄壁结构疲劳寿命问题开展了大量的研究工作，但大部分研究只是针对温度载荷、气动载荷、噪声载荷三者之中的一种或者两种。本文在航空基础科学基金项目的支持下，在王建高温声疲劳研究工作的基础

6、上进行气动载荷的施加，首次针对薄壁结构采用耦合的FEM/BEM方法进行热、声、流动三种载荷的加载，并结合VAOne软件对热-声-流动载荷作用下薄壁结构动态响应进行了计算。研究处于高速流动载荷中的结构在不同温度场和声压级作用下的应力响应。并采用改进的雨流计数法估算出结构的疲劳寿命。研究内容为航空发动机薄壁结构在热-声-流动载荷作用下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。1理论方法1.1流体-结构耦合相关理论无规则运动的流体一般采用湍流模型计算分析，标准湍流流动的基本方程为。(1)式(1)中，，，分别为流体沿，，

7、方向的速度，为时间，为流体密度，为流体压力，为流体黏度。1.2薄壁结构声学控制方程Kirchhoff-Helmholtz积分方程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：(2)式中为声场中某接受体位置矢量；为振动结构上某个位置矢量；为单位法向矢量；结构上表面压力；为结构法向表面加速度。为频域格林函数，它是波动方程对谐量源的解。声压和模态位移之间的关系为：(3)其中，为声传递函数，是边界声场质点位移。结合边界元法中声场控制方程，可以得到一种声传递函数的表达式如式4所示：(4)其中，和为影响矩阵，为传递矩