壁板是飛行器上很重要的結(jié)構(gòu)單元。處于高速氣流中的飛行器壁板,在彈性力、慣性力和暴露在高速氣流中一個(gè)表面上的氣動(dòng)力相互作用將引發(fā)一種自激振動(dòng)現(xiàn)象,即壁板顫振。非線性壁板的氣動(dòng)彈性顫振常被解釋為極限環(huán)振動(dòng)（LCO）。這樣的一種結(jié)構(gòu)失穩(wěn),通常會(huì)導(dǎo)致壁板的疲勞損傷,有時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的結(jié)構(gòu)失效。在超音速飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐中,壁板具有一定的初始曲率,并且高馬赫數(shù)下飛行器表面的氣動(dòng)加熱效應(yīng)也更明顯,所以,對超音速流中受熱平壁板和曲壁板的氣動(dòng)彈性穩(wěn)定問題的研究,可以深刻理解壁板顫振的機(jī)理,找到相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)對壁板顫振邊界的影響規(guī)律,為估計(jì)壁板的疲勞壽命提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對高速飛行器的壁板設(shè)計(jì)提供必要的理論依據(jù),同時(shí)具有工程實(shí)用價(jià)值。本文基于von Kármán非線性應(yīng)變-位移關(guān)系和氣動(dòng)力活塞理論,建立了超音速流中受熱壁板的氣動(dòng)彈性微分方程。利用Galerkin方法,對超音速流中飛行器的受熱平壁板和曲壁板非線性氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究,分析熱氣動(dòng)彈性系統(tǒng)的顫振邊界特性以及不同的參數(shù)組合對系統(tǒng)顫振臨界動(dòng)壓與穩(wěn)定性的影響。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性成果如下:（1）利用Galerkin方法,將超音速流中受熱... 

【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

氣動(dòng)彈性力三角形

第1章緒論3慣性力三者的耦合作用作為研究對象時(shí)，就形成一門交叉學(xué)科“氣動(dòng)彈性動(dòng)力學(xué)”[4]。氣動(dòng)彈性力學(xué)關(guān)注的首要問題之一是彈性體在氣流中的氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性。隨著氣流速度的變化，氣動(dòng)力也隨之而發(fā)生變化，當(dāng)氣流速度大于臨界值時(shí)，結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定。這樣的不穩(wěn)定性根據(jù)是否考慮慣性力又可以分為兩類：如果不考慮慣性力稱為靜不穩(wěn)定性，考慮慣性力稱為動(dòng)不穩(wěn)定性。其中，動(dòng)不穩(wěn)定性問題又包括顫振、動(dòng)力響應(yīng)、抖振等問題。圖1.1氣動(dòng)彈性力三角形1.2.2氣動(dòng)熱彈性問題簡述當(dāng)飛行器以超音速和高超音速飛行時(shí)，高速氣流繞經(jīng)飛行器，頭部氣流受到飛行器突躍式地壓縮和劇烈地摩擦，大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，溫度急劇升高。飛行器壁板表面和高溫氣體之間的巨大溫差，將部分熱能迅速地通過傳導(dǎo)等方式傳遞到飛行器壁板上，這種飛行器與氣體之間由于高速的相對運(yùn)動(dòng)而使得氣流溫度升高并進(jìn)一步使得飛行器表面溫度上升的過程就是氣動(dòng)加熱。在圖1.1所示的氣動(dòng)彈性力三角形上，增加由氣動(dòng)加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力，就構(gòu)成了熱氣動(dòng)彈性力四面體，如圖1.2所示。圖1.2氣動(dòng)熱彈性力四面體

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文4當(dāng)飛行馬赫數(shù)達(dá)到3以上時(shí)，熱效應(yīng)加劇，不能忽略。對于超聲速流中的飛行器而言，熱氣動(dòng)彈性問題對飛行器的使用壽命、飛行器的總體性能甚至飛行成敗都有重要影響。氣動(dòng)熱彈性問題是一個(gè)多學(xué)科交叉的非常復(fù)雜的問題，涉及到氣動(dòng)力、慣性力和彈性力以及氣動(dòng)加熱、熱傳導(dǎo)之間的相互耦合。因此，有必要關(guān)注氣動(dòng)熱和氣動(dòng)彈性的耦合分析。1958年，Roger提出了氣動(dòng)熱與氣動(dòng)彈性的耦合關(guān)系，如圖1.3所示。實(shí)線用來表示強(qiáng)耦合關(guān)系，虛線用來表示弱耦合關(guān)系。在分析求解過程中，弱耦合關(guān)系對氣動(dòng)熱彈性的影響較小，一般可以忽略；強(qiáng)耦合關(guān)系則不能忽略，需要予以考慮。氣動(dòng)熱與氣動(dòng)彈性之間的強(qiáng)耦合關(guān)系包括以下兩個(gè)方面：（1）氣動(dòng)加熱導(dǎo)致飛行器壁板表面溫度升高，進(jìn)而產(chǎn)生不均勻分布的溫度場，這樣非恒定溫度場會(huì)引起結(jié)構(gòu)的材料屬性，如彈性模量，發(fā)生變化；其次，引起的熱應(yīng)力將導(dǎo)致材料的靜、動(dòng)力學(xué)特性發(fā)生改變；（2）結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)載荷和氣動(dòng)加熱的共同作用下發(fā)生非線性變形，而變形又引起氣動(dòng)載荷的分布發(fā)生變化，也將引起氣動(dòng)熱流變化[4,7]。在求解氣動(dòng)熱與氣動(dòng)彈性問題的上述耦合關(guān)系時(shí)，通常有不同的方法。在初步分析中，不考慮結(jié)構(gòu)的非線性變形對氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱的影響，而重點(diǎn)考慮氣動(dòng)加熱對結(jié)構(gòu)變形的影響，采用“氣動(dòng)力—?dú)鈩?dòng)熱—結(jié)構(gòu)彈性力”的單向強(qiáng)耦合關(guān)系[8-11]。在詳細(xì)的設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的非線性變形和應(yīng)力應(yīng)變對氣動(dòng)熱的影響也要予以考量，于是采用“氣動(dòng)力—?dú)鈩?dòng)熱—結(jié)構(gòu)彈性力”雙向耦合關(guān)系。1.2.3壁板氣動(dòng)彈性問題的研究現(xiàn)狀（一）結(jié)構(gòu)及氣動(dòng)力理論上世紀(jì)50年代末，美國國家航空航天局（NationalAeronauticsandSpaceAdministration）聯(lián)合美國的空軍、海軍和北美航空公司共同進(jìn)行的驗(yàn)證機(jī)X-15在飛圖1.3氣

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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本文編號：3368191