[发明专利]薄壁结构热气动弹性动响应分析方法

说明书

本发明提出一种薄壁结构热气动弹性动响应分析方法，根据薄壁结构和边界条件，将薄壁结构离散为七个自由度壳单元，将加肋离散为七个自由度梁单元，建立薄壁的有限元模型，得到结构有限元网格；将薄壁结构温度场施加到结构有限元网格上，对有限元模型进行线性颤振分析，得到每个减缩频率k对应的非定常气动力矩阵Q_k，拟合出非定常气动力矩阵的时域表达式；对得到的非定常气动力矩阵的时域表达式进行迭代计算，进行薄壁的非线性瞬态响应分析，得到薄壁结构非线性热气动弹性动响应。本发明的方法可以解决复杂薄壁结构的非线性热气动弹性动响应的计算问题。

技术领域

本发明涉及热气动弹性响应分析，属于飞行器气动弹性技术技术领域。

背景技术

在超声速、高超声速飞行器上广泛使用大尺寸薄壁结构，如热防护结构、发动机保护罩和大尺寸翼面蒙皮等，这类薄壁结构容易发生弹性力、惯性力、气动力和热应力四者之间相互耦合引发的热气动弹性问题，这种耦合往往导致飞行器的性能下降甚至结构破坏。另外，由于薄壁结构横向挠度在板中面引起面内应力，面内应力在振动中产生一种硬弹性的效应，这是一种典型的结构几何非线性问题。

对于壁板颤振的经典方法如Galerkin方法、Rayleigh-Ritz方法、谐波平衡方法等仅均限与形状规则的矩形薄板，且边界条件为简支边界或者固支边界条件，对于形状不规则、边界条件复杂的情况，经典方法不适用。

采用有限元方法不仅适用于形状不规则、边界条件复杂的薄壁结构，而且能够考虑气动加热、面内内力及不同来流方向等复杂问题。航空航天领域常用的有限元分析软件MSC.Nastran提供了结构线性气动弹性响应的计算功能，但无法进行结构非线性的气动弹性动响应分析。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种薄壁结构非线性气动弹性动响应分析方法，可以获得薄壁结构的响应和非定常气动力随时间变化历程。

本发明的技术解决方案：

一种薄壁结构热气动弹性动响应分析方法，包括以下步骤：

步骤一，根据薄壁结构和边界条件，将薄壁结构离散为空间壳单元，将加肋离散为梁单元，建立薄壁的有限元模型，所述的壳单元每个节点有七个自由度Δ_C＝[u v w w_,x w_,yw_,xy θ_z]^T，其中，u、v表示壳单元两个方向的面内位移，w、w_,x、w_,y、w_,xy分别表示壳单元四个弯曲位移，θ_z表示壳单元扭转角；

所述的梁单元每个节点有七个自由度，Δ_L＝[u′ v′ w′ θ_x θ_y θ′_z θ_x,x]

其中u′、v′表示梁单元两个方向的面内位移，w'表示梁单元弯曲位移，θ_x，θ_y，θ′_z分别代表三个方向的角位移，θ_x,x表示梁单元的扭转角；

步骤二，根据薄壁结构建立气动面网格，并建立气动面网格和结构有限元模型之间的插值关系，得到结构有限元网格；

步骤三，将薄壁结构温度场施加到步骤二中得到的结构有限元网格上，对有限元模型进行线性颤振分析，得到每个减缩频率k对应的非定常气动力矩阵Q_k并拟合出Q_k的时域表达式；

步骤四，通过对步骤三得到的非定常气动力矩阵的时域表达式进行迭代计算，进行薄壁的非线性瞬态响应分析，得到薄壁结构非线性热气动弹性动响应；