高超声速飞行器受热壁板的气动弹性声振分析.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaDec．252016V01．37No．123578．3587ISSN1000-6893ON11—1929／Vhttp：Ehkxb．buaa．edu．CBhkxb@buaa．edu．cn高超声速飞行器受热壁板的气动弹性声振分析杨智春1’*，刘丽媛2，王晓晨11．西北工业大学航空学院，西安7100722．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083摘要：高超声速飞行器壁板在非定常气动力、热载荷和噪声载荷构成的多物理场联合作用下，将表现出复杂的非线性气动弹性声振响应

2、，特别是在颤振临界动压附近，受热载荷以及声载荷作用，壁板表现出复杂的跳变运动。基于yonKarman大变形板理论，建立了热一声载荷和气动力共同作用下的壁板运动方程，分析了超声速气流中受热壁板的屈曲变形及热屈曲稳定性，借助势阱概念初步分析了壁板跳变运动产生的机理。通过定义“穿零频次”给出了跳变运动定量的分类方法，并计算得到不同温升和动压情况下，壁板发生跳变运动所对应的临界声压级。结果表明：在颤振临界动压之前，随着动压的增加，受热壁板势阱的深度先增大后减小，且受热壁板的势阱深度随着温升的增加而增大。关键词：壁板；气动弹性；气动加热；声振响应；跳变；

3、热屈曲；势阱中图分类号：V211．47；0354．4文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)12357810高超声速飞行往往伴随着非定常气动力、气动热和气动噪声联合作用带来的复杂环境，这对飞行器机体结构的设计和制造都提出了更高的要求。尤其是对于机体壁板结构，由于其自身的弹性变形受到结构几何非线性影响，在非定常流场、温度场和噪声场的联合作用下，壁板的运动将表现为复杂的非线性动力学响应[1]。特别是在考虑热、声载荷的作用后，壁板在亚临界颤振范围的振动响应不可忽视，壁板结构容易产生疲劳损伤，从而影响飞行器结构的疲劳寿命比j。近年来，国外

4、许多学者开展了对超声速气流中壁板非线性气动弹性响应行为的研究。Mei等[3。41在非线性yonKarman结构模型和活塞理论气动力模型基础上建立了壁板颤振方程，分别在频域和时域内分析了壁板颤振稳定性和非线性颤振响应。Dhainaut等口。71运用模态降阶的有限元法研究了壁板在噪声激励下的颤振响应，发现噪声载荷在颤振临界点前后都起着明显的作用，并且热屈曲效应对壁板动力学响应的影响不可忽略。Miller等[83将气动热一噪声环境下的壁板颤振系统分解为双向耦合的气动热系统和声气动弹性系统，在时域上采用不同步长递进更新两个子系统来进行求解。Suchee

5、ndran等[91采用解析方法，对发动机进气道壁板在流场作用下的结构一声振耦合问题进行了研究。Ostoich等口叩采用数值方法进行了流固耦合仿真，研究了当壁板进入极限环状态时，壁板边界层与壁板结构的耦合效应，发现湍流的统计参数随着壁板的运动发生了改变。与此同时，还有许多学者开展了受热一噪声载荷作用的壁板动响应研究。Przekop等[111研究了热声载荷下薄壁结构非线性振动响应，分析了跳变运动对金属薄壁结构热声疲劳寿命的影响。收稿日期：2016—01-07：退修日期：2016-01—31；录用El期：2016—04—03；网络出版时间：2016—

6、04—2015：26网络出版地址：WWW．cnki．net／KCMS／detail／11．1929V．20160420．1526．002．hlmI基金项目：国家自然科学基金(11472216)*通讯作者．Tel：029—88460461E—mail：yangzc@nwpu．edu．cn引用格武t杨智春．朗丽媛．I晓晨．高超声速飞行器受热壁板的气动弹性声振分析￡以．航空学报．2016．37(12)：3578—3587．YANGZc，L}ULY，WANGXC．Analysisofaeroelasticvibro—acousticresponsefo

7、rheatedpanelofhypersonicvehiclefJJ．ActaAero—nauticaetAstronauticaSinica，2016，37(12)：3578—3587÷杨智春，等：高超声速飞行器受热壁板的气动弹性声振分析Mignolet和SoizeL12j提出双模态降阶法，结合热传导模态方法分析了结构的噪声响应。在国内，杨智春教授团队山13]开展了一系列超声速复合材料平壁板／曲壁板热颤振特性研究。杨超教授团队143开展了气动热一气动弹性双向耦合的高超声速曲面壁板颤振问题的研究，重点集中在曲壁板热屈曲前后的气动弹性行为。杨翊f

8、_=教授团队[】习重点研究了亚声速流中二维壁板在外激励作用下的复杂响应及分叉问题。沙云东教授团队¨617o开展了热声载荷作用下壁板结构非线性响应特性的