【摘要】：航空航天飛行器薄壁結(jié)構(gòu)在服役過程中面臨著高溫、寬頻高強(qiáng)噪聲及隨機(jī)振動(dòng)等嚴(yán)酷的熱/力學(xué)環(huán)境。熱-聲-振環(huán)境下薄壁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)疲勞評(píng)估問題是現(xiàn)代空天飛行器結(jié)構(gòu)可靠性工程的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。陶瓷基復(fù)合材料憑借其優(yōu)異的防熱與承力一體化性能,成為空天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)薄壁結(jié)構(gòu)的主要候選材料。然而,陶瓷基復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)在熱-聲-振環(huán)境下的振動(dòng)疲勞耐久性仍面臨重大挑戰(zhàn),其疲勞壽命評(píng)估的共性和個(gè)性關(guān)鍵問題有待進(jìn)一步研究。針對熱-聲-振環(huán)境載荷和陶瓷基復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,本文通過理論分析和數(shù)值仿真圍繞振動(dòng)疲勞評(píng)估方法,熱環(huán)境下的聲疲勞評(píng)估,聲疲勞的頻率效應(yīng),以及薄壁-連接件的設(shè)計(jì)與評(píng)估四個(gè)方面開展研究,重點(diǎn)揭示熱-聲-振環(huán)境下陶瓷基復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞評(píng)估及設(shè)計(jì)的若干規(guī)律,為飛行器結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評(píng)估及設(shè)計(jì)提供參考。本文的研究內(nèi)容及結(jié)論包括以下四個(gè)方面:(1)針對結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)難以預(yù)判的問題,在頻域法的振動(dòng)疲勞分析中,提出采用應(yīng)力模態(tài)振型快速定位結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞的關(guān)鍵熱點(diǎn)部位,進(jìn)而評(píng)估結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。對應(yīng)力模態(tài)振型方法在隨機(jī)振動(dòng)疲勞中的應(yīng)用進(jìn)行了數(shù)值仿真,驗(yàn)證了基于應(yīng)力模態(tài)振型的振動(dòng)疲勞破壞熱點(diǎn)預(yù)判的可行性和準(zhǔn)確性。(2)從溫度改變結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)和溫度改變材料S-N曲線的兩個(gè)層面,研究了變溫條件下熱防護(hù)系統(tǒng)C/SiC加筋壁板聲疲勞的壽命評(píng)估問題。通過對比計(jì)及和不計(jì)及溫度變化的過程,在典型飛行時(shí)間內(nèi)疲勞損傷的計(jì)算精度提高約2個(gè)數(shù)量級(jí)。(3)為了分析寬頻噪聲載荷下C/SiC薄壁結(jié)構(gòu)疲勞壽命的頻率依賴性,研究了平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的水平穿越問題,論證了正斜率穿越率表征平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)平均頻率,進(jìn)而提出了C/SiC材料疲勞試驗(yàn)加載頻率的確定方法。在C/SiC復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)的聲疲勞評(píng)估模型中計(jì)及頻率效應(yīng),計(jì)算精度提高了約5倍。(4)根據(jù)靜強(qiáng)度、動(dòng)特性以及動(dòng)強(qiáng)度三者的關(guān)系,提出基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)和應(yīng)變模態(tài)理論的結(jié)構(gòu)抗振動(dòng)疲勞設(shè)計(jì)方法。研究了復(fù)合材料機(jī)械連接開孔形狀對應(yīng)力集中系數(shù)的影響,進(jìn)而提出一種優(yōu)化的開孔形狀設(shè)計(jì)方法。針對二維C/SiC復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)現(xiàn)有碳纖維釘(Z-pin)層間強(qiáng)度性能的不足,提出一種優(yōu)化的二維陶瓷基復(fù)合材料Z-pin設(shè)計(jì)方法。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB33;V214.4
【圖文】：

環(huán)境下的疲勞破壞模型可依據(jù)是否存在疲勞閾值分為兩類振動(dòng)量級(jí)產(chǎn)生，都會(huì)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，當(dāng)累積量達(dá)到某動(dòng)峰值破壞：當(dāng)振動(dòng)量級(jí)超過某一閾值才產(chǎn)生損傷，并中，當(dāng)某次振動(dòng)峰值足夠大時(shí)，結(jié)構(gòu)立即發(fā)生破壞。在寬頻、高強(qiáng)的隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下，其薄壁結(jié)構(gòu)、機(jī)械連基于隨機(jī)動(dòng)響應(yīng)的疲勞壽命預(yù)測是航空航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的下，航空航天結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力響應(yīng)中很大一部分呈現(xiàn)高頻動(dòng)疲勞一般屬于高周疲勞的范疇。隨機(jī)振動(dòng)下結(jié)構(gòu)疲勞頻域法兩大類，本章研究隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析方法，基于域分析的改進(jìn)算法。N 曲線

圖 2-3 含孔單搭接壁板的幾何模型6006001081 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 1415 1617 18 19 20 2122 2324 25 26 27 2829 3031 32 33 34 3536 37 3839 40 4142 43 4445 46 4748 49 5051 52 5354 55 5657 58 5960 61 6263 6465 66 67 68 6970 7172 73 74 75 7677 7879 80 81 82 8384 8586 87 88 89 9091 9293 94 95 96 97Hole No.Ra(m#1-#35 3#36-#62 5#63-#97 3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2725032