PMI泡沫夹层结构雷达天线罩间接热-结构耦合分析与实验研究

机载PMI泡沫夹层结构雷达天线罩在环境温度变化时将产生表面变形现象并影响其使用性能,但对天线罩热变形结果进行实时检测分析具有一定难度。通过ANSYS间接热-结构耦合法建立了分析模型,对天线罩进行了计算分析,采用热膨胀片状模型进行了理论分析,在此基础上,设计并开展了温度冲击实验研究。结果表明, PMI夹层结构天线罩的热-结构耦合变形综合应变趋势是棱边处膨胀程度最大,由边缘至天线罩透波面中心处,膨胀程度逐渐减小；间接热-结构耦合计算应变值与实测应变值之间平均相差35.08%,间接热-结构耦合分析方法与模型具有一定的可信性。     

吸湿环境对石英纤维增强环氧树脂面板/PMI泡沫夹层结构复合材料吸湿行为的影响

研究了不同温度、湿度环境下,夹层结构石英纤维增强环氧树脂面板/PMI泡沫夹层结构复合材料及其芯材和面板的吸湿规律。将石英纤维增强环氧树脂面板、PMI泡沫、复合材料面板/PMI泡沫夹层结构试样在不同吸湿环境中进行吸湿处理后,对其吸湿行为进行分析。结果表明:浸水环境下面板、PMI泡沫、PMI泡沫夹层结构复合材料都表现出更为严重的吸湿行为;在潮湿环境中,50℃至70℃范围内,温度越高,试样在吸湿过程中的质量损失越多,最终的饱和吸湿率越小;在60℃以内的潮湿环境中,PMI泡沫夹层结构复合材料的饱和吸湿率可以通过相同环境下面板复合材料和PMI泡沫的吸湿率进行预测。     

导弹结构热防护一体化设计与优化

针对导弹面临的严酷气动热力环境,基于传统波纹夹芯结构,为导弹设计了一种兼具承载和热防护功能的一体化结构。建立热-结构耦合计算模型,对一体化结构进行结构承载与热防护性能分析,结果表明:一体化结构在高温下具有较好的承载能力;增加一体化结构隔热层与内壁厚度有助于提高导弹的热防护效率。以一体化结构热防护效率最高和质量最小为目标,采用第二代非支配排序遗传算法实现了多目标优化,并认识到:一体化结构热防护效率与质量相互影响,设计时需要需综合考虑。     

考虑表层抗弯刚度影响的夹层板静力学等效分析

基于Hoff型夹层板理论,推导了夹层板广义的应力-应变关系式,得到了等效板的弹性常数,从而建立了考虑表层抗弯刚度的夹层板静力学等效模型.通过理论分析和计算,研究了夹层板的参数对这种等效精度的影响,并给出了这种等效分析方法的适用范围.研究表明,利用等效分析方法对Hoff型夹层板进行静力分析可在一定范围内可达到满意的精度.     

高超声速飞行器前缘流-热-固一体化计算

针对高超声速流动气动加热与结构传热的复杂耦合问题,探索和研究基于有限体积法的高超声速流-热-固一体化求解方法,将流场与结构温度场进行统一建模与数值模拟。该方法避开了传统气动加热和结构传热耦合求解方法在时间域内进行流场与结构温度场耦合交替迭代计算所带来的大量数据交换与计算,将流场与结构温度场作为一个物理场,采用统一的控制方程进行求解。采用典型高超声速绕流二维圆管稳态或非稳态流-热-固耦合算例对该一体化方法进行验证,稳态时圆管驻点温度最高达到648 K,非稳态时的热流密度和结构温度与参考文献和实验值吻合较好,由此证明了该方法的可靠性和正确性。与耦合计算方法的对比分析结果表明:该一体化求解方法所得计算结果更接近实验值,并且计算量和网格依赖性都相对较小,具有更好的稳定性和计算精度,能为高超声速飞行器一体化热防护设计提供有效的理论和技术支撑。     

填充式波纹夹层结构超高速撞击特性仿真

基于航天器空间碎片被动防护需求,对一种新型填充式波纹夹层结构进行超高速撞击仿真研究,分析超高速撞击过程以及结构的穿孔破坏情况和所形成的碎片云的特性,并与相同面密度Whipple结构进行对比。其撞击现象与Whipple结构相似,但其碎片云的头部速度小于Whipple结构,而径向膨胀最大速度和膨胀半角均大于Whipple结构。随撞击初速从3 km/s~10 km/s不断增大,波纹夹层结构的撞击穿孔尺寸变大,形状也更不规则。此外,结构中的填充树脂对碎片撞击能量的吸收贡献最大,后面板所吸收的能量所占比重较大,而前面板和波纹板对碎片撞击能量的吸收贡献较小。研究结果对空间碎片防护结构的设计具有一定的参考意义。     

基于金属热变形的散斑干涉测温技术研究

从热传导和热弹性理论出发,得出轴对称金属薄板温度应变模型;利用ANSYS有限元计算分析软件分析金属薄板的热变形状态,并与建立的模型进行比对验证;搭建了基于CCD、计算机、激光光源的散斑干涉温度测量实验平台,以钢质薄板作为实验对象,记录不同温度下对应薄板热变形的散斑图像数据;得到了散斑干涉条纹与钢板热应变的对应关系,进而得到了温度与热应变的关系。通过理论分析和散斑干涉实验平台获得的实验数据验证表明,金属热变形温度测试技术方案可行,为兵器、航天领域振动、腐蚀等恶劣条件下的温度测试,提供了一种全新方案。     

舰船单元结构模型水下接触爆炸破口试验研究

以 3种舰船单元结构模型水下接触爆炸试验为基础 ,对结构模型所产生的变形、破口尺寸、破口形状进行了观测与分析 ,查找并发现结构中的薄弱环节 .提出了板架结构加强筋相对刚度概念 ,确定了破口长度的估算系数 ,同时为舰船结构在水下爆炸作用下的破口数值计算提供了试验数据 ,如材料断裂极限应变等     

脉冲电抗器结构应力测量

为了对高压脉冲放电时电抗器结构受力及电流密度分布规律进行分析,使用电阻应变片对电抗器铜带进行应力测量。利用厚壁筒受压模型对应力测量系统的结果进行计算,设计内置气囊增压法来等效铜带上的应力对测量系统进行标定,并对标定实验数据进行验证。使用半桥补偿电路、屏蔽线及电桥盒共地的方法来减小脉冲电磁干扰及测量回路中寄生电阻和电容带来的电气干扰。实验结果表明:同一测量点处的环向应变峰值比轴向应变峰值大,边缘处的应变大于中心处的,需要在电抗器铜带边缘处加强外包约束。根据应力测量结果推断:铜带边缘处电流密度约为中心处电流密度的1.2倍。     

泵转子流固弱耦合计算与分析

为了探索流固弱耦合计算在推进泵上应用的可行性和有效性,完成了某转子静强度、动强度和振动模态计算与分析。首先,完成泵稳态和瞬态流场CFD计算,提取水动力载荷数据;然后,采用流固弱耦合方法对结构完成稳态和瞬态计算,提取静应力和动应力以及最大变形,校核静强度和动强度;最后,完成流固耦合条件下转子模态分析,得到模态频率和特征振型。结果表明：转子叶片最大应力位于叶根处、最大位移位于叶梢截面近随边处;转子叶片应力满足材料的强度要求,变形量小于叶顶间隙值;湿模态振型与干模态基本一致,但振型幅值明显降低、模态频率降低。该流固弱耦合计算方法能够用于泵转子结构设计与振动谐响应分析,有助于提升设计质量。     

垂向冲击作用下金字塔点阵夹芯单元结构失效分析

为研究金字塔点阵夹芯结构在垂向冲击载荷作用下的动态力学性能,通过对其中一个单元结构在垂向压力作用下的受力和失效模式分析,同时考虑应变强化和应变率影响,建立了结构失效应力计算方法。为验证该计算方法,开展了落锤冲击试验,同时利用高速摄影机记录模型的响应过程,测量了模型垂向压缩的等效应力-应变关系。试验结果表明:结构失效模式与理论分析吻合,结构失效应力与理论计算相差不大。该研究结果可为金字塔点阵夹芯结构冲击吸能理论研究和数值仿真研究提供参考。     

钢空腹夹层板结构基本力学性能

钢空腹夹层板是一种新型楼盖结构,具有跨度大、重量轻、厚度薄等特点,它与一般井字梁结构不同之处在于空腹夹层板需考虑剪切变形对结构的影响。采用拟夹层板连续化分析建立结构上下肋的等效薄膜刚度方程和剪力键夹心层的折算剪切刚度方程,给出结构在四边简支条件下的解析解。针对同一算例,将连续化分析的结果与有限元分析以及简化计算进行对比研究,结果表明:3种方法得出的挠度误差在5%以内,下弦杆件轴力误差在15%以内;采用连续化分析进行钢空腹夹层板结构的静力计算,具有较高的精度,简化计算方法具有足够的安全储备,可应用于实际工程。     

基于表层及芯材阻尼特性的夹层结构导纳分析

针对复合材料夹层板结构,综合开展芯材材料阻尼特性动力学热分析(DMTA)试验、表层玻璃钢和芯材试件阻尼衰减特性研究,通过夹层板结构的模态激振试验得到结构的模态阻尼比。从结构动力学方程出发探讨了影响多自由度系统结构传递导纳的相关参量,试验对比分析了钢质板和复合材料夹层板两型结构的传递导纳特性,并研究了激振点与响应点间距对复合材料夹层结构传递导纳的影响。研究表明:当尺寸和边界条件相同时,影响结构传递导纳的主要因素是结构的固有频率和模态阻尼。试验还得到了复合材料夹层板较钢质板的基频提高值和传递导纳降低均值,该试验结果可为工程设计提供参考。     

区域参考光栅法用于潜水器结构监测的温度补偿研究

针对潜水器结构健康检测系统中光纤光栅应变传感器的应变与温度的交叉敏感问题,提出了一种区域参考光栅温度补偿法。首先,理论分析了光纤光栅的应变与温度交叉敏感机理,并给出了区域参考光栅法模型;然后,针对潜水器结构特点给出选用传感器结构,并用标准计量设备标定其灵敏度系数,同时用统计法实测出结构中各测点的热膨胀灵敏度系数;最后,设计了一套63单元的监测系统,并布设于潜水器结构上,结合潜水器的一次水下作业进行温度补偿试验。结果表明:经过温度补偿后,各应变传感器的测量值与深度具有严格的线性关系,线性度大于0.98;水深为0时,测量值在0点附近很小范围内波动,说明温度补偿效果较好,能有效解决潜水器结构健康监测系统中的应变与温度交叉敏感问题。     

卫星中心承力筒结构优化设计研究

利用有限元软件ANSYS建立复合材料中心承力筒式卫星平台结构的参数化有限元分析模型,计算了整星结构振动模态,在此基础上对复合材料蜂窝夹层中心承力筒结构分析模型进行简化,在满足结构的强度、变形、振动和屈曲约束条件下,对承力筒结构进行优化设计,并对多种方案进行比较,提出的方法和思路为今后同类结构设计提供了参考。     

弹性螺旋桨的轴向非定常力分析

为研究螺旋桨的水弹性流固耦合非定常振动特性,首先通过金属桨敞水性能验证了瞬态双向流固耦合方法的可靠性;然后,以玻璃纤维为参考材料,通过改变材料参数得到不同材料的弹性螺旋桨,并采用瞬态双向流固耦合方法对伴流场中不同弹性螺旋桨进行数值计算,得到了轴向非定常力和变形的时域值;最后,通过傅里叶变换得到不同材料-阶叶频处脉动幅值;结果表明:通过对杨氏模量和刚度阻尼的调整,可以降低螺旋桨流固耦合非定常力脉动幅值。     

单层结构陶瓷天线罩材料的宽频透波性能设计

依据天线罩对宽频带透波性能的要求,采用传输线理论,建立了单层结构天线罩平板材料透波率的计算方法.对单层结构天线罩材料的介电性能参数进行了优化设计,确定了在2～18 GHz频带,0～40°入射角范围内满足透波率要求的最优介电性能参数.设计结果表明,当材料的介电常数ε≤3.0,损耗角正切tanδ≤0.02时,具有最佳厚度的...     

环管型燃烧室火焰筒热弹塑性应力应变分析

针对环管型燃烧室火焰筒主燃孔裂纹和联焰管变形裂纹等故障,通过数值方法对火焰筒进行了稳态结构静力学计算。利用直接法获取了火焰筒温度场分布,并综合考虑材料的热弹塑性和火焰筒的复杂多孔结构对火焰筒进行了热应力应变分析,发现两侧联焰管根部下沿以及3、4、8、9号主燃孔附近气膜挡板边沿产生热应力集中,同时出现了塑性应变和大范围弹性应变,与实际火焰筒故障较吻合,验证了利用直接法获取的火焰筒温度场有利于获得较准确的火焰筒热应力应变分布的结论。     

身管热变形对步枪射击影响分析

为了研究温度变化对枪械射击准确度的影响,建立某步枪枪管的数值仿真模型。为了研究热冲击作用下枪管温度的分布情况,根据非线性热力学对枪管内壁与外壁的对流传热以及内膛的传热进行数值分析。再将仿真得到的温度场施加在身管上,采用非线性热力学结构耦合,求解出不同温度场分布下的枪管变形程度,并分析了身管弯曲对瞄准基线的影响。通过与实验数据的对比,验证了仿真结果具有可信性,为射击过程中的修正偏差提供重要理论依据。     

坦克炮身管温度变化对射击精度的影响

应用非结构化网格离散结构,建立了具有太阳辐射及背景辐射与对流换热的坦克炮身管温度场的简化模型和身管弯曲计算的简化模型,对仅受太阳辐射以及背景辐射与对流换热相耦合的身管温度场进行了计算,求得身管径向的温度-时间曲线,并分析了身管外表面温度的变化规律。以温度场模型为基础,计算了坦克身管的弯曲量与温度场变化的关系,并提出减小此射击误差的措施。该模型对提高坦克射击精度具有实用价值。