[发明专利]一种热防护连接结构非线性动态响应的快速分析方法

说明书

本发明提供了一种热防护连接结构非线性动态响应的快速分析方法，包括：构建热防护连接结构的有限元模型，提取总体质量矩阵和总体刚度矩阵；对总体质量矩阵及总体刚度矩阵进行减缩，并定义结构阻尼矩阵；建立热防护连接结构的接触非线性模型并建立非线性动力学微分方程组；采用高阶谐波平衡法，将时域上的非线性动力学微分方程组转换为频域上的非线性代数方程组；对单一频率采用迭代算法对频域上的非线性代数方程组进行求解，并采用弧长延拓技术沿频域获得该频率点的收敛解；对收敛解的稳定性进行判断；在时域中及频域中不断迭代转换求解，直至获得整个接触非线性系统的频域响应。本发明能够实现热防护连接结构非线性频域动力学响应的快速求解。

技术领域

本发明属于高速飞行器热防护设计技术领域，特别涉及一种热防护连接结构非线性动态响应的快速分析方法。

背景技术

高速飞行器热防护系统服役过程中会受到严酷的力、热、振动、噪声等复杂的力-热耦合环境，为确保热防护结构的安全性和可靠性，需开展相应的动力学设计及分析。由于热防护结构组件中存在大量连接结构(如螺栓连接、搭接等)，结构连接界面之间存在复杂的非线性接触关系，因而大大增加了热防护结构频域动力学响应的计算难度。

目前，针对非线性结构系统的动力学响应，广泛采用的是时域直接积分法(如Runge-Kutta法、Newmark法等)。虽然直接积分法的计算精度较高，但计算效率很低，特别是求解非线性系统频域响应时，每个频率点对应的响应都需要耗费巨大的计算量，整个频域响应的求解计算量十分惊人，因此直接积分法的计算效率难以满足任务需求。

为此，亟需一种热防护连接结构非线性动态响应快速分析方法，在保证求解精度的前提下具有很高的求解效率，可以满足热防护连接结构非线性动态响应设计及分析需求。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种热防护连接结构非线性动态响应的快速分析方法，基于时频转换技术直接求解非线性系统的频域响应。该方法相比于传统的时域直接积分法，在保证求解精度的前提下具有很高的求解效率，可以满足热防护连接结构非线性动态响应设计及分析需求，从而完成本发明。

本发明提供的技术方案如下：

一种热防护连接结构非线性动态响应快速分析方法，包括：

步骤(1)，基于有限元软件构建热防护连接结构的有限元模型，开展考虑结构热应力的模态分析，提取有限元模型的总体质量矩阵和总体刚度矩阵；

步骤(2)，基于模态综合法对总体质量矩阵及总体刚度矩阵进行减缩，在减缩过程中保留所需的模态阶数，并定义结构阻尼矩阵；

步骤(3)，根据热防护连接结构的特点建立热防护连接结构的接触非线性模型，并建立热防护连接结构的非线性动力学微分方程组；

步骤(4)，采用高阶谐波平衡法，将时域上的非线性动力学微分方程组转换为频域上的非线性代数方程组；

步骤(5)，对单一频率采用Newton-Raphson迭代算法对频域上的非线性代数方程组进行求解，并采用弧长延拓技术沿频域获得该频率点的收敛解；

步骤(6)，对非线性代数方程组的收敛解的稳定性进行判断，标记该收敛解的稳定性；

步骤(7)，采用逆傅立叶变换将上一频率计算点获得的频域响应转换到时域中，为下一频率计算点的非线性力时域分析提供初始值；在时域中及频域中不断迭代转换求解，直至获得整个接触非线性系统的频域响应，其中，稳定的频域响应为非线性系统的物理解。

根据本发明提供的一种热防护连接结构非线性动态响应的快速分析方法，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的一种热防护连接结构非线性动态响应的快速分析方法，能够实现热防护连接结构非线性频域动力学响应求解，并考虑了热应力对结构动力学特性的影响；