[發(fā)明專利]薄壁結(jié)構(gòu)熱氣動彈性動響應(yīng)分析方法

有效

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• 申請日: 2019-03-20
• 公開（公告）號: CN110162826B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 苑凱華;羅金玲;操小龍;田海濤
• 申請（專利權(quán)）人: 北京機(jī)電工程研究所
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06F119/14
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本發(fā)明提出一種薄壁結(jié)構(gòu)熱氣動彈性動響應(yīng)分析方法，根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)和邊界條件，將薄壁結(jié)構(gòu)離散為七個自由度殼單元，將加肋離散為七個自由度梁單元，建立薄壁的有限元模型，得到結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格；將薄壁結(jié)構(gòu)溫度場施加到結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格上，對有限元模型進(jìn)行線性顫振分析，得到每個減縮頻率k對應(yīng)的非定常氣動力矩陣Q_k，擬合出非定常氣動力矩陣的時域表達(dá)式；對得到的非定常氣動力矩陣的時域表達(dá)式進(jìn)行迭代計(jì)算，進(jìn)行薄壁的非線性瞬態(tài)響應(yīng)分析，得到薄壁結(jié)構(gòu)非線性熱氣動彈性動響應(yīng)。本發(fā)明的方法可以解決復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)的非線性熱氣動彈性動響應(yīng)的計(jì)算問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及熱氣動彈性響應(yīng)分析，屬于飛行器氣動彈性技術(shù)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在超聲速、高超聲速飛行器上廣泛使用大尺寸薄壁結(jié)構(gòu)，如熱防護(hù)結(jié)構(gòu)、發(fā)動機(jī)保護(hù)罩和大尺寸翼面蒙皮等，這類薄壁結(jié)構(gòu)容易發(fā)生彈性力、慣性力、氣動力和熱應(yīng)力四者之間相互耦合引發(fā)的熱氣動彈性問題，這種耦合往往導(dǎo)致飛行器的性能下降甚至結(jié)構(gòu)破壞。另外，由于薄壁結(jié)構(gòu)橫向撓度在板中面引起面內(nèi)應(yīng)力，面內(nèi)應(yīng)力在振動中產(chǎn)生一種硬彈性的效應(yīng)，這是一種典型的結(jié)構(gòu)幾何非線性問題。

對于壁板顫振的經(jīng)典方法如Galerkin方法、Rayleigh-Ritz方法、諧波平衡方法等僅均限與形狀規(guī)則的矩形薄板，且邊界條件為簡支邊界或者固支邊界條件，對于形狀不規(guī)則、邊界條件復(fù)雜的情況，經(jīng)典方法不適用。

采用有限元方法不僅適用于形狀不規(guī)則、邊界條件復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)，而且能夠考慮氣動加熱、面內(nèi)內(nèi)力及不同來流方向等復(fù)雜問題。航空航天領(lǐng)域常用的有限元分析軟件MSC.Nastran提供了結(jié)構(gòu)線性氣動彈性響應(yīng)的計(jì)算功能，但無法進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性的氣動彈性動響應(yīng)分析。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種薄壁結(jié)構(gòu)非線性氣動彈性動響應(yīng)分析方法，可以獲得薄壁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和非定常氣動力隨時間變化歷程。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：

一種薄壁結(jié)構(gòu)熱氣動彈性動響應(yīng)分析方法，包括以下步驟：

步驟一，根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)和邊界條件，將薄壁結(jié)構(gòu)離散為空間殼單元，將加肋離散為梁單元，建立薄壁的有限元模型，所述的殼單元每個節(jié)點(diǎn)有七個自由度Δ_C＝[u v w w_,x w_,yw_,xy θ_z]^T，其中，u、v表示殼單元兩個方向的面內(nèi)位移，w、w_,x、w_,y、w_,xy分別表示殼單元四個彎曲位移，θ_z表示殼單元扭轉(zhuǎn)角；

所述的梁單元每個節(jié)點(diǎn)有七個自由度，Δ_L＝[u′ v′ w′ θ_x θ_y θ′_z θ_x,x]

其中u′、v′表示梁單元兩個方向的面內(nèi)位移，w'表示梁單元彎曲位移，θ_x，θ_y，θ′_z分別代表三個方向的角位移，θ_x,x表示梁單元的扭轉(zhuǎn)角；

步驟二，根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)建立氣動面網(wǎng)格，并建立氣動面網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)有限元模型之間的插值關(guān)系，得到結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格；

步驟三，將薄壁結(jié)構(gòu)溫度場施加到步驟二中得到的結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格上，對有限元模型進(jìn)行線性顫振分析，得到每個減縮頻率k對應(yīng)的非定常氣動力矩陣Q_k并擬合出Q_k的時域表達(dá)式；

步驟四，通過對步驟三得到的非定常氣動力矩陣的時域表達(dá)式進(jìn)行迭代計(jì)算，進(jìn)行薄壁的非線性瞬態(tài)響應(yīng)分析，得到薄壁結(jié)構(gòu)非線性熱氣動彈性動響應(yīng)；