飞行器结构热噪声强度基础

本书主要论述高超声速飞行器高温复合材料结构经历的载荷环境特点、高温环境对典型结构模态特性的影响、高温环境下结构动力学模型修正技术、高超声速飞行器结构动力学响应分析技术、C/SiC复合材料结构热噪声失效机理、高温环境下结构动响应优选测试技术薄壁结构热噪声复合环境试验技术、基于剩余刚度和剩余强度的寿命预示方法、SC复合材料结构疲劳寿命预示的跨尺度损伤力学方法、高超声速飞行器结构动强度设计等方面内容。本书可供高超声速飞行器总体设计、动力学环境预示与分析、材料与结构、热防护系统设计、动强度评估等领域的科技工作者、管理人员和高校师生参考。

丛书序
前言
第1章 高超声速飞行器载荷环境与结构特点 1
1.1 概述 1
1.2 高超声速飞行器气动力/热载荷特点 2
1.2.1 气动力载荷预示方法 3
1.2.2 气动热载荷预示方法 4
1.2.3 发动机热载荷特点 5
1.3 高超声速飞行器噪声载荷环境特点 6
1.3.1 气动噪声载荷环境特点 6
1.3.2 脉动压力空间相关特性 16
1.3.3 发动机噪声载荷环境特点 17
1.4 复合材料结构应用情况 18
1.4.1 复合材料防热结构在可重复使用飞行器的应用 19
1.4.2 复合材料结构在高超声速飞行器中的应用 22
1.5 高超声速飞行器面临的结构动强度问题 27
1.6 小结 29
参考文献 29
第2章 高温环境对典型结构模态特性的影响 31
2.1 概述 31
2.2 热弹性力学基础 31
2.2.1 应力?应变与温度的关系 32
2.2.2 能量守恒方程 34
2.2.3 热屈曲 36
2.3 考虑热效应的壁板模态特性理论分析 39
2.3.1 加筋板理论模型 40
2.3.2 加筋板算例 48
2.4 壁板热模态分析的有限元法 50
2.4.1 有限元法的原理与推导 51
2.4.2 壁板热模态计算实例 59
2.5 结构热模态试验研究 63
2.5.1 自由边界下复合材料平板热模态试验 63
2.5.2 固支边界下复合材料平板热模态试验 65
2.5.3 复合材料加筋板热模态试验研究 68
2.6 小结 71
参考文献 72
第3章 高温环境下结构动力学模型修正技术 74
3.1 概述 74
3.2 结构动力学模型修正技术研究进展 74
3.2.1 国外研究情况 74
3.2.2 国内研究情况 78
3.3 有限元模型修正方法基本理论 79
3.3.1 模态振型的预处理 79
3.3.2 模型缩聚和扩展 82
3.3.3 有限元模型与试验结果相关性方法 87
3.3.4 结构动特性灵敏度分析方法 89
3.3.5 参数估计方法 91
3.4 复杂结构动力学模型检查与误差定位方法 92
3.4.1 模型规范化与模型检查 92
3.4.2 误差定位方法 94
3.5 高温动力学模型修正方法 101
3.5.1 高温动力学模型分层修正方法 103
3.5.2 基于代理模型的模型修正方法 103
3.5.3 高温环境下结构动力学模型修正应用实例 113
3.6 小结 117
参考文献 117
第4章 高超声速飞行器结构动力学响应分析技术 120
4.1 概述 120
4.2 复合材料平板热噪声非线性解析分析方法 120
4.2.1 热噪声载荷下的壁板结构非线性动力学方程的建立 120
4.2.2 非线性动力学方程多尺度渐近摄动分析方法 124
4.2.3 算例分析 128
4.3 热噪声载荷下非线性响应的数值分析方法 130
4.3.1 热噪声载荷下结构非线性有限元方法 130
4.3.2 热噪声载荷下复合材料板薄壁结构动响应规律 131
4.4 基于非线性降阶方法的高效动响应分析方法 138
4.4.1 非线性降阶方法的基础理论 138
4.4.2 非线性刚度系数的计算 139
4.4.3 分析算例及试验验证 141
4.5 基于结构有限元/声学边界元的热噪声响应分析方法 145
4.5.1 方法概述 145
4.5.2 分析算例及试验验证 146
4.6 小结 148
参考文献 148
第5章 C/SiC复合材料结构热噪声失效机理 150
5.1 概述 150
5.2 国内外研究现状 150
5.2.1 国外研究现状与进展 150
5.2.2 国内研究现状与进展 153
5.3 复合材料结构失效检测方法 156
5.3.1 C/SiC复合材料损伤分析及评估原则和步骤 156
5.3.2 C/SiC复合材料的典型损伤模式 156
5.3.3 基于红外热成像技术区分孔洞与分层损伤 163
5.3.4 基于声发射技术的损伤在线监测方法 164
5.3.5 适用于噪声试验现场评估的红外热波无损检测方法 168
5.3.6 分析方法总结 175
5.4 复合材料结构微观失效模式 176
5.4.1 C/SiC 复合材料的组成与结构 176
5.4.2 复合材料的损伤模式 177
5.4.3 平纹编织复合材料典型载荷作用下的破坏模式 179
5.4.4 缎纹编织复合材料典型载荷作用下的破坏模式 186
5.5 复合材料薄壁结构热噪声失效机理 193
5.5.1 噪声损伤形貌分析 193
5.5.2 热噪声损伤形貌分析 196
5.5.3 噪声损伤机理 202
5.6 小结 208
参考文献 209
第6章 高温环境下结构动响应优选测试技术 211
6.1 概述 211
6.2 强辐射背景下温度测试技术 212
6.2.1 热电偶测量 212
6.2.2 红外测温仪测量 216
6.3 高温环境下动态变形/应变测试技术 226
6.3.1 电阻应变片 226
6.3.2 数字图像相关方法 233
6.4 高温振动测试技术 240
6.4.1 高温振动测量方法 240
6.4.2 激光测振仪在热噪声试验的应用 243
6.5 高温噪声测试技术 246
6.5.1 常温环境下噪声测试技术 246
6.5.2 高温环境下噪声测试技术 248
6.6 小结 253
参考文献 253
第7章 薄壁结构热噪声复合环境试验技术 256
7.1 概述 256
7.2 热噪声试验技术发展历程 257
7.3 热噪声试验系统及其性能 258
7.3.1 德国IABG热噪声试验系统 258
7.3.2 AFRL热噪声试验系统 260
7.3.3 NASA兰利研究中心热噪声试验系统 261
7.3.4 英国BAE系统公司热噪声试验系统 262
7.3.5 热噪声试验系统性能对比 263
7.4 热噪声复合环境试验装置 264
7.4.1 热噪声复合环境试验系统构成 264
7.4.2 行波管内噪声气流速度测试 264
7.4.3 单一噪声环境加载能力验证 266
7.4.4 单一热环境施加能力验证 266
7.4.5 热与噪声复合环境联合施加能力验证 270
7.5 热噪声试验热噪声相互影响分析 271
7.5.1 噪声气流对飞行器结构温度场分布影响 271
7.5.2 辐射加热对噪声场特性影响研究 274
7.6 典型复合薄壁结构试验实例 275
7.6.1 噪声激励典型壁板动响应及失效试验 275
7.6.2 典型壁板热噪声激励动响应及失效试验 284
7.7 小结 291
参考文献 291
第8章 基于剩余刚度和剩余强度的寿命预示方法 293
8.1 概述 293
8.1.1 剩余强度模型研究现状 293
8.1.2 剩余刚度模型研究现状 294
8.1.3 随机载荷条件下结构疲劳累积损伤研究 295
8.2 复合材料薄壁结构热噪声疲劳破坏问题 297
8.3 C/SiC复合材料常幅疲劳试验研究 298
8.4 复合材料薄壁结构噪声载荷下剩余刚度模型 300
8.4.1 复合材料结构噪声载荷下剩余刚度模型研究 300
8.4.2 基于剩余刚度模型的复合材料结构疲劳寿命预示方法 310
8.5 复合材料薄壁结构热噪声剩余强度模型 316
8.5.1 室温环境下剩余强度演化模型 316
8.5.2 热噪声环境下剩余强度演化模型 325
8.6 小结 333
参考文献 334
第9章 C/SiC复合材料结构疲劳寿命预示的跨尺度损伤力学方法 337
9.1 概述 337
9.2 C/SiC复合材料代表性体元模型 338
9.2.1 纤维束单胞力学模型 339
9.2.2 二维编织单胞力学模型 340
9.2.3 C/SiC编织复合材料本构方程 341
9.3 C/SiC复合材料静载下的损伤分析 345
9.3.1 纤维束静载损伤分析 348
9.3.2 复合材料板单轴受力静载损伤分析 352
9.3.3 复杂受力静载损伤分析 354
9.4 C/SiC复合材料循环载荷下的损伤分析 358
9.4.1 单轴受力疲劳损伤分析 358
9.4.2 多轴受力疲劳损伤分析 364
9.4.3 宏观疲劳损伤等效应力及损伤演化方程 365
9.5 基于损伤力学的结构疲劳寿命预示方法 368
9.5.1 预示结构疲劳寿命的解析法 368
9.5.2 预示结构疲劳寿命的损伤力学有限元方法 368
9.6 小结 372
参考文献 373
第10 章 高超声速飞行器结构动强度设计 374
10.1 概述 374
10.2 优选复合材料结构的性能特点 375
10.2.1 比强度和比模量 375
10.2.2 各向异性和可设计性 375
10.2.3 损伤、断裂和疲劳行为 375
10.2.4 环境影响行为 377
10.2.5 影响优选复合材料力学性能的制备技术分析 377
10.3 优选复合材料结构强度设计与验证方法基础 380
10.3.1 设计方法的基本步骤 380
10.3.2 “积木式”设计验证试验方法基础 381
10.3.3 并行工程的设计方法 382
10.4 热结构静/动强度设计要求与原则 383
10.4.1 热结构力学设计的一般性要求 383
10.4.2 热结构的动力学设计要求 383
10.4.3 热结构静/动强度设计的选材要求 385
10.5 热结构动强度设计分析原则 385
10.5.1 动强度设计分析需求与发展 385
10.5.2 结构动力学设计原则 386
10.6 高超声速飞行器结构力学特性的阻尼设计方法 390
10.7 高超声速飞行器结构的渐进损伤及动强度分析方法 391
10.7.1 动强度设计分析的连续损伤力学方法 391
10.7.2 动强度设计分析的多尺度分析方法 392
10.7.3 连接结构的结构损伤分析方法 392
10.7.4 热结构研制路线及动强度相关设计流程 393
10.8 小结 395
参考文献 396
彩图 397