[发明专利]一种湍流边界层载荷模型的等效方法

说明书

技术领域

本发明涉及随机面压载荷模型等效方法领域，具体涉及一种湍流边界层载荷模型的等效方法。

背景技术

随着航天器向高飞行速度发展，其在任务周期内面临严峻的随机噪声等环境，这可能造成结构失效或精密仪器、仪表失灵。因此，在航天器的设计过程中，需考虑机械振动和噪声的影响。可采用试验方法、理论方法和数值方法预示系统在随机噪声激励下的动响应。其中，试验方法能得到可靠的结果，但开展试验分析的成本较高，设计周期长；理论方法只适用于简单系统，难以解决复杂系统的动响应预示问题；数值方法可节约设计成本，缩短设计周期，是试验分析的有效辅助手段。

目前公认的一种湍流边界层载荷模型中，低频段的相干长度较长，高频段的相干长度较短。在采用有限元法中的模态叠加法分析结构在湍流边界层载荷激励的随机响应时，随着分析频率的升高，湍流边界层载荷的相干长度缩短，要求有限元网格的尺寸变小，这导致计算量呈几何级数增长。因此，在较高频段，需采取有效措施以解决上述湍流边界层载荷模型分析效率低下的问题，进而缩短设计周期，节约设计成本。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，针对现有的一种湍流边界层载荷模型在应用中存在的问题，本发明提供了一种该湍流边界层载荷模型的等效方法，该技术可有效提高湍流边界层载荷激励下结构动响应仿真分析的效率。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种湍流边界层载荷模型的等效方法，包括以下步骤：

步骤1：湍流边界层载荷模型经等效后形成等效完全随机面压载荷模型；

步骤2：确定所述等效完全随机面压载荷模型的等效相关函数的量级；

步骤3：根据结构模型和湍流边界层载荷模型确定所述等效随机面压载荷模型的适用频率范围。

进一步地，所述步骤1中的湍流边界层载荷模型为：

其中ξ_x为两点在x轴方向上的距离，ξ_y为两点在y轴方向上的距离，ω为角频率，S₀为载荷功率谱的量级，D_x＝α_x/k_c、D_y＝α_y/k_c分别为顺流方向和横流方向的相干长度，无量纲常数α_x＝8、α_y＝1.2，k_c＝ω/U_c为对流波数，U_c＝0.7U为对流速度，U为来流速度。

进一步地，所述步骤1中的等效完全随机面压载荷模型为：

S_pp(ξ_x,ξ_y,ω)＝S₀C^eq(ω)δ(ξ_x)δ(ξ_y) (2)

其中C^eq(ω)为等效相关函数的量级，函数δ(ξ)为克罗内克函数：

进一步地，所述步骤2中等效完全随机面压载荷模型的等效相关函数的量级C^eq(ω)满足下式：

进一步地，所述等效完全随机面压载荷模型的等效相关函数的量级C^eq(ω)为：

进一步地，所述步骤3中等效完全随机面压载荷模型的适用频率范围为f≥f^crit，f^crit为临界频率。

进一步地，所述临界频率为：

f^crit＝4f_c (6)

其中f_c为一致性频率。

进一步地，所述一致性频率f_c为使结构弯曲波长λ_B(ω)及混响场载荷特征波长λ_T(ω)相等即λ_B(ω)＝λ_T(ω)时的一致性频率：

其中，E为材料弹性模量，ρ为材料密度，ν为材料泊松比，h为结构表面板类构件厚度。

有益效果：本发明提供的一种湍流边界层载荷模型的等效方法，是一种将湍流边界层载荷模型等效为完全随机面压载荷模型的技术，该技术可有效降低湍流边界层载荷激励下结构动响应分析的计算量，缩短设计周期，节约设计成本。

附图说明

图1是本发明的逻辑流程框图；