陶瓷基防隔熱結構高溫環(huán)境振動特性實驗研究及模型修正.pdf

1、應高超聲速飛行器熱防護系統(tǒng)動力學研究的需求，本文展開了對一體化的陶瓷基復合材料飛行器防隔熱結構在熱環(huán)境下的振動特性的研究。主要針對該類結構在高溫及大梯度的熱環(huán)境中的固有頻率及阻尼特性展開研究，旨在理解熱環(huán)境對結構固有振動特性的影響機制，得到在高溫大梯度的熱環(huán)境中的結構振動特性的行之有效的估算方法，進而為其他相關問題研究以及降低研發(fā)成本盡一點力量。本文對陶瓷基防隔熱結構及防隔熱承力一體化復合結構，通過實驗方法及數(shù)值仿真的方法研究了高溫環(huán)境

2、的固有頻率，阻尼特性。探索這類復合材料結構高溫振動實驗方法，研究該類結構高溫環(huán)境動力學模型修正方法。
　　首先，開展對高性能防隔熱結構及防隔熱承力一體化結構熱環(huán)境下振動特性的實驗研究。進行了模擬實際飛行工況的高溫大梯度環(huán)境下的結構固有頻率受影響情況的研究。由于高溫和大梯度環(huán)境下結構熱應力對邊界條件比較敏感，因此對于不同邊界條件的工況分別進行實驗研究，分別給出了自由及固定邊界條件的結構固有頻率受溫度環(huán)境影響情況及其物理機制。

3、　　然后，對陶瓷基復合材料及金屬構成的復合板結構在高溫大梯度環(huán)境中展開了阻尼特性的測試實驗，根據(jù)實際工況對試驗件開展實驗研究，由于阻尼特性的測試方法大多具有較大的離散性，因此實驗工況保持了高度的一致性，并進行多次實驗以消除不確定因素造成的阻尼測量誤差。
　　根據(jù)實驗實際得到的情況，結合熱結構問題的理論研究，開展對熱環(huán)境下復合板結構固有頻率影響情況及其機制的研究，得到了在不同邊界條件下的復合板的固有頻率特性受溫度影響的規(guī)律，分析了實

4、驗中熱應力對結構固有頻率特性的影響，給出了研究該類結構的有限元模型，并根據(jù)該有限元模型得到較為合理的振動特性計算結果，為更復雜結構的計算奠定基礎。
　　根據(jù)黏性阻尼模型，給出了帶有待定系數(shù)的估計高溫環(huán)境模態(tài)阻尼比的計算公式，通過四邊固支邊界條件的實驗結果用線性回歸方法確定了計算公式中的待定系數(shù)，分析了高溫環(huán)境阻尼比估算經(jīng)驗公式的適用條件，證明該經(jīng)驗公式具有較大的適用范圍，并通過單邊固支實驗進行驗證，結果證明該經(jīng)驗公式對于估計該類陶

5、瓷基復合板結構沿法線方向存在溫度梯度情況下的彎曲模態(tài)阻尼比具有非常高的精確性，對于扭轉模態(tài)及其他含有扭轉振型的耦合模態(tài)精確性次之。使用給出的經(jīng)驗公式利用有限元計算得到的頻率結果進行對高溫環(huán)境阻尼比的估算，得到了非常好的結果，證明該經(jīng)驗公式能夠利用有限元計算結果對高溫環(huán)境的阻尼比進行有效的估計，大大節(jié)省了實驗研究所需要消耗的人力物力。
　　針對本文所研究結構，開展了有限元計算方法的模型修正工作，首先對常溫模型進行基于實驗數(shù)據(jù)的參數(shù)修

6、正，在此基礎上開展高溫環(huán)境振動特性計算的模型修正方法研究，考慮熱應力對邊界條件的敏感性，對此展開了熱應力附加剛度陣的修正方法研究?；趯嶒灁?shù)據(jù)給出了一種基于優(yōu)化算法的熱應力附加剛度陣的模型修正方法。
　　最后，開展了熱環(huán)境下結構動響應計算的工作。首先進行了穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下的結構穩(wěn)態(tài)動響應的分析，并將計算結果與實驗結果相對比，模型對該類結構穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下的穩(wěn)態(tài)動響應結果估算較為準確。然后進行了穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下的結構瞬態(tài)動響應分析，所有動響應分

7、析中考慮了結構組成材料參數(shù)受溫度影響的改變造成的結構剛度陣的改變以及高溫大梯度造成的結構內(nèi)部熱應力對結構產(chǎn)生的附加剛度的影響，并根據(jù)實際阻尼受溫度影響的研究結果生成結構阻尼矩陣。
　　綜上，本文通過實驗手段和數(shù)值計算相結合的方法研究了陶瓷基防隔熱結構在高溫環(huán)境中的振動特性。建立了一套合理的陶瓷基防隔熱結構高溫環(huán)境振動特性試驗方案，揭示了陶瓷基面板/泡沫夾芯三明治結構以及與金屬承力復合結構的振動特性影響機制；提出了高溫環(huán)境下適用于各