变温度载荷下薄壁结构非线性动态响应分析

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1、第33卷第6期振动、测试与诊断Vo1．33NO．62013年12月JournalofVibration，Measurement&DiagnosisDec．2Ol3变温度载荷下薄壁结构非线性动态响应分析李纪永，李舜酩，马赛，方立成(南京航空航天大学能源与动力工程学院南京，210016)摘要为了研究温度对结构动态响应的影响，计算薄壁结构在不同周期交变温度及不同稳态温度下的非线性动态响应。首先，计算结构在不同周期交变温度载荷下的横向位移响应，探讨温度周期对响应的影响；其次，计算相同声压级不同温度下薄壁结构位移响应及其功率

2、谱密度。结果表明：热屈曲后大温度周期下结构动响应周期与温度周期一致，温度急剧变化时，响应亦呈周期变化，但与温度变化周期不一致；热屈曲前后，结构在噪声载荷作用下相轨迹反映结构平衡位置个数，存在两个平衡位置易导致结构跳变响应；随温度升高，结构刚度呈非线性，温度及噪声对结构刚度的贡献大小差异导致不同的非线性动态响应。关键词薄壁结构；周期温度；热屈曲；非线性动态响应中图分类号V215．5荷对结构非线性动态响应的影响，并计算不同温度引言结构在噪声载荷下的动态响应，利用welch法计算了结构位移功率谱密度，分析稳态温度对结构响

3、应先进飞行器表面结构往往处在高温强噪声环境的影响。中[1]。超音速飞机机动飞行时蒙皮表面温度随工况变化，航天飞机在返回大气层时表面结构承受高温1计算模型的建立强噪声，导弹舵翼在高速状态下亦处在声振及高温环境中，影响飞行的稳定性。薄壁结构在高温强噪热及噪声复合载荷作用下，结构非线性运动方声环境中易发生跳变响应，其反转的应力加速了结程。在模态坐标下可写为构疲劳]。薄壁结构在热噪声载荷作用下的非线性Mq()+Cq()+F舭(q1(￡)，q2()，⋯，qL()，AT)一响应特性得到了广泛深入的研究。文献[3]等研究F()(

4、1)了气动、噪声、简谐载荷及随机载荷下薄壁结构的非其中：M===‘rM一I；C一ra一[2]F~jJ一线性动态响应，指出响应非线性时，共振频率中心值西F~L；F一F。发生了移动。文献[4—5]研究了非线性位移响应的第r阶非线性恢复力矢量为分形维数，计算了Lyapunov指数，指出了动态响应LF(q()，qz(￡)⋯．，qL()，AT)一d(△T)+具有混沌的特性。Amits等利用实验及数值方J一1法计算了跳变响应的界限，指出热屈曲后随温度增LLLLL∑∑。qq+∑∑∑6qqq大跳变响应所需的噪声载荷变大。Przec

5、op等[7]研J一1=J1一Jl一究了热声载荷作用下金属薄壁结构考虑材料塑性时(r一1，2，⋯，L)(2)应力应变变化，并提出了预估其高周疲劳寿命的几其中：M为质量矩阵；c为阻尼矩阵；为正则振型；种模型。不同周期温度变化下薄壁动力响应及温度q为模态坐标；△T为温升；d，a，b分别为线性、2次、变化对结构刚度的影响研究较少。3次模态刚度系数；}为第r阶阻尼比；∞为第r阶笔者把高速飞行器表面薄壁结构简化为薄板结模态频率；F为噪声压力向量。构，进行复杂载荷作用下的非线性动态响应分析，利选取铝合金薄板为研究对象，其宽度、长

6、度、高度用有限元软件ANSYS结合Newmark积分方法计尺寸为25mmX457inm×2．3mrn。材料参数为：弹算结构非线性动态响应，分析不同周期交变温度载性模量E=7．3×10Pa，密度p一2763kg／m。，泊松*航空自然科学基金资助项目(2012ZD52054)收稿日期：2012—03—07；修改稿收到日期：2012—05—28第6期李纪永，等：变温度载荷下薄壁结构非线性动态响应分析比一0．32，线膨胀系数a=22．3×10一／oc。较大。图中实线为实际分布，虚线为正态分布。薄板有限元模型如图1所示，其边

7、界条件为AC边和BD边固支，AB边和CD边自由。图1薄板有限元模型(a)横向位移时间历程2交变温度载荷作用下薄壁结构动态。响应计算吕＼船根据薄板分支型屈曲理论计算，参考温度设褂为0。C时，薄板的临界屈曲温度为T===3．76。C。结构的温度场根据温度周期大小可分为3种情况：位移／rrl快速交变的温度场、大周期交变的温度场和稳态温fb)横向位移概率密度函数度场。图3大周期交变温度下横向位移响应不同周期变化的温度下结构响应周期不同。取周期为3．13S的温度函数为薄板承受图2(b)所示的相对快速交变的温度T==：10si

8、n(0．64nt一要)十10(3)时，中点横向位移响应如图4所示。由图4(a)可厶知，热冲击同样在0．2S内比较明显，随着时间增其中：t的范围为[OS16s]。周期为0．063S时的温度函数取为大，其响应趋于平稳。温度变化比较剧烈，响应周期比温度周期大，但仍呈规律性变化。T：==10sin(31．8nt一要)+10(4)厶其中：t的范围为[0S1s]。温度随