回轉(zhuǎn)體結構是高速飛行器的關鍵部件,以導彈天線罩為代表,常被安裝在飛行器頭部最前端,起到防熱、承載和保護內(nèi)部電子設備的作用,已成為國內(nèi)外研究的熱點�；剞D(zhuǎn)體結構伴隨飛行器在高速運動過程中,不僅外表面承受著巨大的氣動熱沖擊,使其具有較大溫度梯度,造成結構的承載能力下降;另一方面,內(nèi)部結構在橫向氣動載荷作用下產(chǎn)生的機械應力與溫度梯度產(chǎn)生的熱應力疊加時,將對其結構與功能產(chǎn)生較大的破壞作用。因此,在回轉(zhuǎn)體結構交付前,必須在地面進行熱、力學性能試驗。本文主要以當前航空航天領域防熱、承力一體化結構為背景,以數(shù)值模擬為主要方法,結合回轉(zhuǎn)體結構真實飛行條件下的力熱聯(lián)合試驗加載技術的科研項目,開展相關研究。本文首先通過Ansys軟件,對回轉(zhuǎn)體結構飛行器熱力耦合場下的力學性能進行分析,并對試驗加載系統(tǒng)中的核心元件“仿型橡膠皮囊”進行靜力加載分析;然后,以熱強度試驗為基礎,完成了熱強度試驗平臺設計;最后,對試驗平臺標校和試驗狀態(tài)下的調(diào)試用水冷測試模型進行了結構優(yōu)化。通過本文研究得到以下結論:(1)在熱力耦合場下,回轉(zhuǎn)體結構上輻射加熱單元區(qū)域與非輻射加熱區(qū)域的交界位置出現(xiàn)最大等效應力,整體結構的尖端出現(xiàn)最大位移。溫度載荷是影響回轉(zhuǎn)體結構應力應變的主要因素。在保證結構完整性的情況下,回轉(zhuǎn)體結構的最大安全載荷為1.0MPa。(2)仿型橡膠皮囊擬靜力加載應力分布均勻,滿足試驗需求。在皮囊內(nèi)壓0.4MPa的工況下,仿型橡膠皮囊最大應力0.08MPa,最大變形0.08mm。仿型橡膠皮囊擬靜力加載的運用,為熱力耦合試驗橫向氣動力載荷等效模擬提供了新方法。(3)設計并搭建了回轉(zhuǎn)體結構飛行器熱強度試驗平臺,完成了熱強度試驗前的首要工作。試驗平臺劃分為試驗工裝系統(tǒng)、試驗加載系統(tǒng)和試驗測控系統(tǒng)三個部分,分別負責設備搭載、載荷加載和數(shù)據(jù)采集的工作,經(jīng)調(diào)試后的熱強度試驗平臺滿足試驗需求。(4)在試驗平臺標校和試驗狀態(tài)下,完成了調(diào)試用水冷測試模型的結構優(yōu)化。經(jīng)優(yōu)化的冷卻水道具備對模型的冷卻能力,且隨著水流流速逐漸增大,冷卻能力逐漸增加。
【學位單位】：中北大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：V215;V415
【部分圖文】：

中北大學學位論文12進行熱力耦合試驗時，內(nèi)部連接環(huán)底部配有12個沿圓周均勻分布的螺栓孔，用于與試驗平臺進行固定連接。熱載荷加載區(qū)域為大端底部軸向無量綱長度為0至0.18且環(huán)向角度為360°的范圍（黑色輻射加熱單元）內(nèi)，接受石英燈燈組紅外線熱輻射，等效模擬飛行器氣動熱作用。均布載荷加載區(qū)域為大端底部軸向無量綱長度為0.18至0.55且環(huán)向角度為180°的范圍（紅棕色均布載荷加載單元）內(nèi)，接受皮囊所施加的均布載荷，等效模擬飛行器靜力載荷。2.4.2建立回轉(zhuǎn)體結構有限元模型有限元仿真分析是針對真實物理模型的簡化求解分析，因此在有限元仿真分析前，將真實物理模型作適當?shù)暮喕�，是有限元仿真分析的關鍵之一。由于回轉(zhuǎn)體結構上各加載單元不完全對稱，在有限元建模時不易簡化，所以分別建立回轉(zhuǎn)體各局部結構，通過布爾運算功能，將各局部結構進行粘結，最終得到回轉(zhuǎn)體結構有限元模型如圖2-4所示。圖2-4回轉(zhuǎn)體結構有限元模型Figure2-4FiniteElementModelofRotationalBodyStructure定義單元類型時，采用熱分析實體單元，進行瞬態(tài)熱輻射的有限元分析。具體選擇ThermalSolid，Brick8node70，8節(jié)點三維六面體單元。2.4.3定義材料屬性及劃分網(wǎng)格（1）定義材料屬性根據(jù)實際試驗中回轉(zhuǎn)體結構的材料，對其設置相應的屬性，如表2-2所示。（2）劃分網(wǎng)格劃分自由網(wǎng)格時打開單元尺寸控制，網(wǎng)格全局單元尺寸設置為0.01，生成具有18715個節(jié)點、87557個單元的有限元計算模型。每個節(jié)點具有1個溫度自由度，具體網(wǎng)格劃分如圖2-5所示。

中北大學學位論文13表2-2回轉(zhuǎn)體結構飛行器材料屬性Table2-2MaterialPropertiesofRotationalBodyStructureAircraft材料屬性回轉(zhuǎn)體結構內(nèi)部連接環(huán)λ(W·m-1·K-1)1.511C(J·kg-1·K-1)8171648α(K-1)2×10-61.6×10-6μ0.090.3E(Pa)7.6×10102×1010σ(W·m-2·K-4)5.67×10-8—x0.85—注：1）λ為導熱系數(shù)、C為比熱容、α為熱膨脹系數(shù)、μ為泊松比、E為彈性模量、σ為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)、x為表面發(fā)射率。圖2-5回轉(zhuǎn)體結構網(wǎng)格示意圖Figure2-5GridDiagramofRotationalBodyStructure2.4.4溫度場分析前處理將石英燈組對受熱區(qū)域的熱輻射，假設為空間對該輻射面的均勻溫度載荷。對回轉(zhuǎn)體結構的熱載荷加載區(qū)域進行輻射加熱，設置加熱時間為550秒，在起始時溫度為室溫25℃，當加熱時間為550秒時溫度達850℃，對應熱輻射源的溫度曲線如圖2-6所示。選擇瞬態(tài)分析，進行求解。2.4.5靜力場分析前處理轉(zhuǎn)換單元類型。選擇ThermaltoStructural，系統(tǒng)自動將單元類型轉(zhuǎn)變?yōu)镾tructuralSolid，Brick8node185，8節(jié)點三維六面體單元。刪去*.rth格式文件加載，對均布載荷單元施加靜力載荷，進行求解靜力常對回轉(zhuǎn)體結構的均布載荷加載區(qū)域進行均布載荷

中北大學學位論文1511.7MPa。螺栓孔邊緣的應力約為20.3MPa，說明在熱應力作用下螺栓孔處出現(xiàn)應力集中。內(nèi)部連接環(huán)內(nèi)側邊緣的應力為15.0MPa。內(nèi)外壁應力最大值所在位置都位于大端尾端邊緣，但不會導致回轉(zhuǎn)體結構發(fā)生整體性結構破壞�；剞D(zhuǎn)體結構從大端尾部到尖端，內(nèi)外壁的應力逐漸降低，外壁應力變化梯度高于內(nèi)壁，其中外壁應力最大值為11.9MPa，內(nèi)壁應力最大值為3.5MPa。圖2-7溫度場分布云圖（溫度單位：開爾文）Figure2-7DistributionCloudChartofTemperatureField(TemperatureUnit:K)從圖2-8（b）可看出，回轉(zhuǎn)體結構從大端尾部到尖端，內(nèi)外壁的位移先逐漸增大，后逐漸減小并趨于穩(wěn)定，且外壁位移變化梯度遠高于內(nèi)壁。其中外壁位移最大值為0.09mm，位于輻射加熱單元區(qū)域與非輻射加熱單元區(qū)域的分界位置，說明在輻射加熱作用下，該處最容易發(fā)生破裂。此外該溫度場下，回轉(zhuǎn)體結構尖端位移為0.04mm。（a）熱應力分布云圖(a)DistributionCloudChartofThermalStress
【參考文獻】

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本文編號：2892690