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1、航空學(xué)報(bào)ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun．252013V01．34No．61336．1346ISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．CRdoi：10．7527／$1000—6893．2013．0234熱聲載荷作用下薄壁結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)特性沙云東，魏靜，高志軍，趙奉同*，鮑冬冬沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，遼寧沈陽110136摘要：高速飛行器面臨著嚴(yán)酷的高溫強(qiáng)噪聲環(huán)境。溫度載荷不僅使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱應(yīng)力，還會(huì)改變材料的物性參數(shù)，這使得薄壁結(jié)構(gòu)在寬頻噪聲激勵(lì)
2、下具有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式，表現(xiàn)出強(qiáng)非線性特性，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。針對(duì)熱聲載荷對(duì)結(jié)構(gòu)非線性特性的影響，建立了熱聲載荷下的非線性大撓度偏微分控制方程，對(duì)偏微分方程使用Galerkin法得到了模態(tài)坐標(biāo)下的常微分方程組。計(jì)算了四邊簡支矩形鈦合金板在不同溫度和聲壓級(jí)(SPL)組合下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，得到了典型的熱聲響應(yīng)運(yùn)動(dòng)形式，包括屈曲前的線性隨機(jī)振動(dòng)、屈曲后的跳變運(yùn)動(dòng)和圍繞一個(gè)平衡位置的隨機(jī)振動(dòng)。通過分析方程中的恢復(fù)力項(xiàng)和響應(yīng)的功率譜密度(PSD)隨著溫度和SPL的變化規(guī)律，對(duì)熱聲響應(yīng)的非線性特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，熱載荷和聲載荷對(duì)響應(yīng)非線性特性的影響方式不同：熱載荷改變結(jié)構(gòu)剛
3、度特性曲線的形狀，以臨界屈曲狀態(tài)的剛度為參照，屈曲前降低結(jié)構(gòu)剛度，屈曲后增加結(jié)構(gòu)剛度；噪聲載荷使得結(jié)構(gòu)工作在剛度曲線的不同區(qū)域，以不受載荷時(shí)的結(jié)構(gòu)剛度為對(duì)照，強(qiáng)噪聲載荷引起的持續(xù)跳變使得結(jié)構(gòu)工作在硬化區(qū)域，間歇跳變時(shí)結(jié)構(gòu)工作在軟化區(qū)域。關(guān)鍵詞：薄壁結(jié)構(gòu)；熱聲載荷；非線性響應(yīng)；熱屈曲；跳變響應(yīng)中圖分類號(hào)：V214．3；0322文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000—6893(2013)06—1336—11未來高超聲速飛行器將面臨嚴(yán)峻的工作環(huán)境，處于氣動(dòng)載荷、熱載荷、噪聲載荷和機(jī)械載荷的聯(lián)合作用下。研究[1]表明再人大氣層的航天器熱防護(hù)系統(tǒng)(TPS)的表面溫度可高達(dá)1648℃，噪聲聲
4、壓級(jí)(SPL)可達(dá)180dB，為了提高飛行性能而大量采用的薄壁結(jié)構(gòu)在熱聲載荷的作用下將表現(xiàn)出復(fù)雜的大撓度非線性響應(yīng)。熱載荷引起的熱應(yīng)力可使結(jié)構(gòu)發(fā)生熱屈曲；強(qiáng)聲載荷可使屈曲前結(jié)構(gòu)圍繞初始平衡位置做大幅值的非線性振動(dòng)，屈曲后結(jié)構(gòu)在不同的屈曲后平衡位置之間做劇烈跳動(dòng)，即跳變運(yùn)動(dòng)，或圍繞一個(gè)屈曲后平衡位置振動(dòng)[2。4]。復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的疲勞壽命口_6]。模擬高溫強(qiáng)噪聲環(huán)境的費(fèi)用高昂，獲得可靠的測試數(shù)據(jù)困難[7]，因此采用數(shù)值方法來研究熱聲環(huán)境下的響應(yīng)特性和疲勞壽命是飛行器研發(fā)階段的關(guān)鍵問題之一。由于先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)飛行器(ATF)、超聲速先進(jìn)短距起降和垂直降落飛機(jī)(ASTO
5、VL)和空天飛機(jī)(NASP)等項(xiàng)目的推動(dòng)，美國空軍和美國國家航空航天局(NASA)在20世紀(jì)80年代就開始研究熱聲載荷作用的結(jié)構(gòu)響應(yīng)[8]。研究者使用最多的方法包括：PDE／Galerkin法、等效線性化(EL)法和有限元法(FEM)。Ng等凹。1叫采用VonKar—man方程和Galerkin法推導(dǎo)出單模態(tài)方程，結(jié)合試驗(yàn)研究了平板和曲板在熱聲激勵(lì)下的非線性響應(yīng)，包括跳變運(yùn)動(dòng)以及板結(jié)構(gòu)熱聲響應(yīng)的基本特性。Vaicaitis[1婦使用Galerkin法結(jié)合MonteCarlo法研究了大量航空航天結(jié)構(gòu)在隨機(jī)激勵(lì)下收稿日期：2012．07．04；退修日期：2012—09—05；錄
6、用日期：2012-11．28；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2012—12—0609：38網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929V201212060938．002htmI基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金(02054007)*通訊作者．Tel：024-89723890E-mail：ftzhao@sinaoom引角格武tShaYD。WeiJ．GaoZJ．etal．Nonlinearresponsecharacteristicsofthin-walledstructuresunderthermo-acousticIoadings．ActaAeronauticaetAs
7、tronauticaSinica．2013。34(6)：1336—1346。沙云東，魏靜，高志軍．等÷熱聲載荷作用下薄壁結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)特性．航空學(xué)報(bào)．2013．34(6)：1336—1346．沙云東等：熱聲載荷作用下薄壁結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)特性的非線性響應(yīng)問題。Lee[1}131使用Galerkin法和EI。法得到了熱聲載荷下結(jié)構(gòu)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，認(rèn)為研究需考慮3種熱載荷：①均勻溫度引起的熱內(nèi)力；②局部溫度變化引起的局部熱膨脹；③厚度方向溫度梯度引起的熱彎矩。Galerkin法的缺點(diǎn)是難以適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，而EL法得到的結(jié)
