关键词:
气动热弹性
颤振抑制
Hopf分岔
预拉伸
负热膨胀
液压悬置
裂纹
摘要:
具有超声速、高机动性和低可探的隐形飞行器,是当前国防科技领域的最前沿热点,各主要军事强国均投入顶级科研力量探索相关技术,具有重大的国防战略价值。超声速飞行过程中,飞行器壁板作为结构外表面直接暴露在超声速流中,在热、气和弹性载荷的耦合作用下可能出现颤振现象,这种现象将导致结构振动加剧、出现不可逆疲劳损伤,严重影响飞行过程中的安全,甚至导致任务失败。为保证超声速飞行安全,飞行器壁板动力学研究的核心任务是飞行器壁板临界颤振动压的提升和动态响应的抑制。
针对超声速流中飞行器壁板在热、气和弹性载荷下颤振问题,本文结合实际工程应用背景开展颤振分析及抑制方法研究,包括:提出安装时施加预拉伸以抑制颤振的方法;基于双材料弯曲梁设计负热膨胀机械超材料,反向利用气动加热现象,实现抑制颤振的目的;提出了一种粘结预拉伸碳纤维增强复合材料的方法以加固具有部分表面裂纹的壁板,从而达到抑制颤振的效果;设计了新型半主动液压悬置减振器,并用于抑制颤振。本文的主要研究工作包括:
(1)构建受热飞行器壁板的动力学控制方程,提出抑制超声速受热飞行器壁板气动热弹性颤振的预拉伸方法,分析预拉伸量对临界颤振动压的提升效果。基于冯·卡门大变形理论和气动活塞理论,建立具有预拉伸位移的受热壁板的非线性振动偏微分方程。采用伽辽金法将偏微分方程转化为近似的非线性常微分方程组,利用劳斯-赫尔维茨代数准则,获取在预拉伸状态下飞行器壁板的颤振边界的解析解,并分析预拉伸位移对临界颤振动压、频率和参数平面各区域的稳定性的影响规律。采用本文提出的预拉伸方法,显著提高了受热壁板的临界颤振动压和临界颤振频率,抑制了后颤振响应振幅。
(2)基于双材料弯曲梁设计一种新型负热膨胀机械超材料,利用固定连接和旋转对称性,实现多方向的无界热膨胀和可编程热膨胀系数,并研究具有负热膨胀芯层的复合材料对超声速飞行器气动热弹性颤振的抑制效果。理论推导超材料的负热膨胀系数、等效杨氏模量和相对密度的解析解,并采用有限单元法验证。根据冯·卡门大变形理论、活塞理论和Hamilton变分原理,建立受气动热载荷的飞行器壁板的动力学控制方程。使用伽辽金法和Runge-Kutta法进行数值求解。分析本文设计的具有负热膨胀系数芯层的夹层板对壁板颤振的抑制效果,分析芯层角度和热载荷对夹层板颤振特性的影响规律。
(3)基于冯·卡门大变形理论、气动活塞理论和修正线弹簧裂纹模型,采用碳纤维增强复合材料加固,建立超声速流中含裂纹飞行器壁板的非线性动力学控制方程,利用伽辽金法和Runge-Kutta法,分析壁板的颤振特性。通过对比飞行器壁板非线性颤振特性和含裂纹壁板热屈曲稳定性,验证控制方程的准确性。通过参数分析,揭示热载荷、板的长宽比、预拉伸量及方向、气动力等参数对含裂纹壁板颤振特性的影响规律。进行层合壁板颤振特性分析,研究铺层角度、粘结层刚度、热载荷、预拉伸位移等参数对层合壁板颤振特性的影响规律。
(4)设计新型可调节阻尼的半主动液压悬置结构,并利用该减振器抑制超声速流中飞行器壁板的气动热弹性颤振,分析该半主动液压悬置的动态性能以及对飞行器壁板颤振的抑制效果。设计驱动盘同时控制惯性通道面积和长度,可实现很好的控制效果,即只调节阻尼性能而不影响刚度性能。分析新型半主动液压悬置的线性和非线性动态性能,并使用流固耦合仿真分析验证;对比磁流变悬置的动态性能,以凸显新液压悬置的优异性能。结果表明,在相同的几何参数下,新型液压悬置可使用效费比高的低粘度液压油,具有比磁流变液压悬置更宽的动刚度控制范围,不需要连续消耗外部能量。建立超声速流中含液压悬置支撑的受热壁板控制方程。通过对比有、无液压悬置支撑的飞行器壁板的颤振特性,证明了液压悬置可提高壁板稳定性的有效性。通过参数分析,揭示液压悬置安装位置、刚度值、阻尼值等设计参数对飞行器壁板颤振特性的影响规律。分析受控壁板的稳定性的控制机理,研究线性增益和非线性增益对壁板稳定性的影响规律。