热声载荷作用下薄壁结构的非线性响应特性

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun．252013V01．34No．61336．1346ISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．CRdoi：10．7527／$1000—6893．2013．0234热声载荷作用下薄壁结构的非线性响应特性沙云东，魏静，高志军，赵奉同*，鲍冬冬沈阳航空航天大学航空航天工程学部，辽宁沈阳110136摘要：高速飞行器面临着严酷的高温强噪声环境。温度载荷不仅使结构产生热应力，还会改变材料的物性参数，这使得薄壁结构在宽频噪声激励

2、下具有复杂的运动形式，表现出强非线性特性，严重影响了结构的疲劳寿命。针对热声载荷对结构非线性特性的影响，建立了热声载荷下的非线性大挠度偏微分控制方程，对偏微分方程使用Galerkin法得到了模态坐标下的常微分方程组。计算了四边简支矩形钛合金板在不同温度和声压级(SPL)组合下的动态响应，得到了典型的热声响应运动形式，包括屈曲前的线性随机振动、屈曲后的跳变运动和围绕一个平衡位置的随机振动。通过分析方程中的恢复力项和响应的功率谱密度(PSD)随着温度和SPL的变化规律，对热声响应的非线性特性进行了研究。研究结果表明，热载荷和声载荷对响应非线性特性的影响方式不同：热载荷改变结构刚

3、度特性曲线的形状，以临界屈曲状态的刚度为参照，屈曲前降低结构刚度，屈曲后增加结构刚度；噪声载荷使得结构工作在刚度曲线的不同区域，以不受载荷时的结构刚度为对照，强噪声载荷引起的持续跳变使得结构工作在硬化区域，间歇跳变时结构工作在软化区域。关键词：薄壁结构；热声载荷；非线性响应；热屈曲；跳变响应中图分类号：V214．3；0322文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)06—1336—11未来高超声速飞行器将面临严峻的工作环境，处于气动载荷、热载荷、噪声载荷和机械载荷的联合作用下。研究[1]表明再人大气层的航天器热防护系统(TPS)的表面温度可高达1648℃，噪声声

4、压级(SPL)可达180dB，为了提高飞行性能而大量采用的薄壁结构在热声载荷的作用下将表现出复杂的大挠度非线性响应。热载荷引起的热应力可使结构发生热屈曲；强声载荷可使屈曲前结构围绕初始平衡位置做大幅值的非线性振动，屈曲后结构在不同的屈曲后平衡位置之间做剧烈跳动，即跳变运动，或围绕一个屈曲后平衡位置振动[2。4]。复杂的应力应变状态严重影响结构的疲劳寿命口_6]。模拟高温强噪声环境的费用高昂，获得可靠的测试数据困难[7]，因此采用数值方法来研究热声环境下的响应特性和疲劳寿命是飞行器研发阶段的关键问题之一。由于先进战术飞行器(ATF)、超声速先进短距起降和垂直降落飞机(ASTO

5、VL)和空天飞机(NASP)等项目的推动，美国空军和美国国家航空航天局(NASA)在20世纪80年代就开始研究热声载荷作用的结构响应[8]。研究者使用最多的方法包括：PDE／Galerkin法、等效线性化(EL)法和有限元法(FEM)。Ng等凹。1叫采用VonKar—man方程和Galerkin法推导出单模态方程，结合试验研究了平板和曲板在热声激励下的非线性响应，包括跳变运动以及板结构热声响应的基本特性。Vaicaitis[1妇使用Galerkin法结合MonteCarlo法研究了大量航空航天结构在随机激励下收稿日期：2012．07．04；退修日期：2012—09—05；录

6、用日期：2012-11．28；网络出版时间：2012—12—0609：38网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929V201212060938．002htmI基金项目：航空科学基金(02054007)*通讯作者．Tel：024-89723890E-mail：ftzhao@sinaoom引角格武tShaYD。WeiJ．GaoZJ．etal．Nonlinearresponsecharacteristicsofthin-walledstructuresunderthermo-acousticIoadings．ActaAeronauticaetAs

7、tronauticaSinica．2013。34(6)：1336—1346。沙云东，魏静，高志军．等÷热声载荷作用下薄壁结构的非线性响应特性．航空学报．2013．34(6)：1336—1346．沙云东等：热声载荷作用下薄壁结构的非线性响应特性的非线性响应问题。Lee[1}131使用Galerkin法和EI。法得到了热声载荷下结构响应统计参数，认为研究需考虑3种热载荷：①均匀温度引起的热内力；②局部温度变化引起的局部热膨胀；③厚度方向温度梯度引起的热弯矩。Galerkin法的缺点是难以适用于复杂结构，而EL法得到的结