高速飛行器是世界航空航天領(lǐng)域的一個(gè)極其重要的發(fā)展方向,其飛行速度快,所處的載荷環(huán)境非常復(fù)雜和惡劣,大部分外表面都要承受強(qiáng)烈的氣動(dòng)加熱與噪聲,熱防護(hù)系統(tǒng)(TPS)的作用就是避免飛行器發(fā)生過熱現(xiàn)象或被燒毀。復(fù)合材料夾層板通常用作高速飛行器的熱防護(hù)結(jié)構(gòu),其面板與芯層具有良好的防隔熱功能,同時(shí)也起到承載的作用,但若熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不足發(fā)生破壞,將會(huì)影響飛行器正常飛行進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重后果,因此本文對(duì)高速飛行器的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和強(qiáng)度進(jìn)行了研究。本文對(duì)一個(gè)矩形TPS夾層板采用了模態(tài)試驗(yàn)結(jié)合有限元仿真的分析方法進(jìn)行研究,通過比較三種不同建模方式的模態(tài)結(jié)果選擇出TPS層合板的合理的建模方式。在此基礎(chǔ)上基于結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)與振動(dòng)疲勞的分析方法,分別對(duì)TPS基元件與飛行器表面的TPS板進(jìn)行了有限元建模與隨機(jī)振動(dòng)疲勞的研究。對(duì)TPS基元件的外表面面板分別采用時(shí)域法與頻域法進(jìn)行了振動(dòng)疲勞壽命預(yù)測(cè),結(jié)果表明兩種方法得到的壽命相近;在頻域法壽命預(yù)測(cè)中對(duì)采用不同參數(shù)得到的壽命結(jié)果進(jìn)行了比較,在時(shí)域法壽命預(yù)測(cè)中考慮了溫度造成的熱應(yīng)力對(duì)壽命的影響。建立了飛行器整體與表面粘貼的TPS板的有限元模型,并基于已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型修正,選擇各艙段連接處的剛度弱化單元的彈性模量作為設(shè)計(jì)變量,修正后的模態(tài)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差在合理范圍內(nèi)。分別采用直接法與模態(tài)疊加法對(duì)處于巡航狀態(tài)與助推狀態(tài)的飛行器進(jìn)行了瞬態(tài)響應(yīng)分析,得到了飛行器前端粘貼的TPS板面板的應(yīng)力響應(yīng),對(duì)兩種方法得到的響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果很接近。基于瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行了振動(dòng)疲勞分析,結(jié)果表明TPS板的外面板在兩個(gè)工況中均不發(fā)生振動(dòng)疲勞破壞�？偨Y(jié)出對(duì)于工程實(shí)際問題進(jìn)行有限元建模、動(dòng)力學(xué)響應(yīng)計(jì)算和振動(dòng)疲勞壽命預(yù)測(cè)的流程。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V215;V415
【部分圖文】：

圖 1-1 復(fù)合材料夾層板結(jié)構(gòu)形式[40]1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容本文針對(duì)上述 TPS 結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下三方面的研究：（1）對(duì)一矩形 TPS 板進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)并采用不同的方式進(jìn)行有限元建模，通過兩者的對(duì)比驗(yàn)證有限元模型的合理性；（2）對(duì) TPS 基元件按（1）中探索得到的最合理的建模方式進(jìn)行建模，并進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析，在此基礎(chǔ)上，分別采用時(shí)域法與頻域法進(jìn)行振動(dòng)疲勞分析得到疲勞壽命并進(jìn)行對(duì)比；（3）對(duì)高速飛行器結(jié)構(gòu)及其表面的 TPS 板進(jìn)行有限元建模和模型修正，使結(jié)構(gòu)模態(tài)和動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差在合理范圍內(nèi)，證明對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)建立的有限元模型是滿足要求的，建模時(shí)考慮了 TPS 板以及飛行器結(jié)構(gòu)的材料熱力學(xué)性能受溫度環(huán)境的影響所發(fā)生的改變，并進(jìn)行模態(tài)及瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算，進(jìn)一步得到 TPS 板的動(dòng)應(yīng)力，最后進(jìn)行振動(dòng)疲勞壽命分析。

圖 2-1 振動(dòng)疲勞分析流程.3.1.1 應(yīng)力循環(huán)及其描述圖 2-2（a）所示的是完全對(duì)稱的正弦恒幅應(yīng)力循環(huán)，該應(yīng)力循環(huán)類型通常出現(xiàn)沒有過載且以恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中[44]。該應(yīng)力循環(huán)的特點(diǎn)是最大應(yīng)力與小應(yīng)力大小相等，符號(hào)相反，即最大應(yīng)力為拉應(yīng)力，最小應(yīng)力為數(shù)值相等的壓應(yīng)。振動(dòng)疲勞壽命分析方法1、材料應(yīng)力-壽命曲線2、疲勞累積損傷理論3、疲勞壽命分析模型振動(dòng)疲勞壽命

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文擴(kuò)展的趨勢(shì)；相反，若處于壓縮的平均應(yīng)力，則裂紋有閉合的趨勢(shì)，加。給定的壽命下研究應(yīng)力幅與平均應(yīng)力的關(guān)系，即改變應(yīng)力幅與平均使得疲勞壽命不變。以平均應(yīng)力為橫軸，應(yīng)力幅為縱軸，可以畫出一壽命時(shí)的曲線，稱為 Haigh 曲線，如圖 2-4 所示。

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