热结构的声振特性 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

装备结构服役时，受到温度、湿度、振动及噪声等多物理场的作用，其动态响应准确预测的难度显著增加。针对装备结构在复杂服役环境下的动态特性，《热结构的声振特性》通过理论建模、数值仿真和实验验证相结合，建立一套典型壁板结构在热环境下的声振特性分析方法，获得结构振动和声响应随温度的变化规律，从理论上解释演化过程的原因，揭示热载对结构动态特性的影响机理，发展针对几何非线性和高频响应预测问题的高效仿真计算方法，为复杂热结构的声振响应预测提供参考依据和技术手段，并对潮湿环境下复合材料壁板的声振特性进行讨论。

目录

序

前言

第1章 绪论 1

1.1 结构服役环境 1

1.2 研究现状 3

1.2.1 结构的热振动研究 3

1.2.2 振动问题的高效数值计算 7

1.2.3 振动结构的声响应研究 9

1.2.4 热环境下的声振响应研究 11

1.3 本书主要内容 12

第2章 结构热、声、振动多场问题 14

2.1 引言 14

2.2 热振耦合问题 14

2.3 声振耦合问题 15

2.4 热、声、振动多场作用问题 21

2.5 本章小结 21

第3章 热环境下各向同性板的声振特性 22

3.1 引言 22

3.2 受热板的振动特性 22

3.2.1 受热各向同性板的振动控制方程 22

3.2.2 简支边界理论解 26

3.2.3 固支边界理论解 33

3.3 受热板的声特性 39

3.3.1 受热板的声辐射 39

3.3.2 入射声对受热板的作用 45

3.4 本章小结 50

第4章 热环境下固支板的声振实验 52

4.1 引言 52

4.2 实验系统 52

4.2.1 测试平台及试件 52

4.2.2 测试条件 54

4.3 受热固支板模态实验 54

4.4 受迫振动及声响应实验 57

4.4.1 声激励响应测试 57

4.4.2 机械激励响应测试 60

4.5 实验结果的数值分析 63

4.6 本章小结 68

第5章 热环境下夹芯结构的声振特性 69

5.1 引言 69

5.2 受热夹芯板的声振特性理论分析 69

5.2.1 受热夹芯板的控制方程 69

5.2.2 受热夹芯板的固有振动特性 74

5.2.3 受热夹芯板的声振响应 76

5.2.4 理论模型验证 79

5.2.5 分析与讨论 81

5.3 受热泡沫铝夹芯板的声振特性实验 89

5.3.1 实验对象及测试系统 89

5.3.2 热环境的控制及测量 90

5.3.3 热模态测试 91

5.3.4 机械激励下的动态响应测试 92

5.3.5 声激励下的动态响应测试 93

5.4 本章小结 94

第6章 热环境下层合结构的声振特性 95

6.1 引言 95

6.2 受热层合板的声振特性理论分析 95

6.2.1 受热层合板的控制方程 95

6.2.2 简支边界条件的理论解 99

6.2.3 理论解的数值验证 100

6.2.4 振动及声响应分析 101

6.2.5 非对称与对称层合板的比较 102

6.3 热环境下层合板的声振实验 104

6.3.1 测试对象 104

6.3.2 固有振动测试 104

6.3.3 激励响应测试 106

6.4 本章小结 107

第7章 热屈曲结构的声振特性 108

7.1 引言 108

7.2 热屈曲对层合板声振特性的影响 108

7.2.1 热屈曲层合板的控制方程 109

7.2.2 简支边界的理论解 110

7.2.3 固支边界的近似解 111

7.2.4 热屈曲对声振特性的影响 113

7.2.5 铺层设计的影响 116

7.3 热屈曲后固支板的声振特性实验 117

7.3.1 测试系统 117

7.3.2 测试环境 119

7.3.3 固有振动实验 119

7.3.4 振动及声响应实验 123

7.3.5 测试结果的数值分析 128

7.4 梯度热载对层合板声振特性的影响 133

7.4.1 受梯度热载层合板的控制方程 133

7.4.2 热挠度及振动响应求解 134

7.4.3 梯度热载的影响 137

7.5 本章小结 139

第8章 典型壁板结构的热模态演变规律 141

8.1 引言 141

8.2 加筋板控制方程的建立及求解 141

8.2.1 加筋板内的能量 142

8.2.2 位移场离散 149

8.2.3 动力学方程 151

8.2.4 半解析求解 151

8.2.5 理论模型的验证及分析 152

8.3 加筋板热模态特性的仿真预测 162

8.3.1 加筋板有限元模型 162

8.3.2 温度对加筋板模态的影响 163

8.3.3 加强筋尺寸对热模态的影响 166

8.3.4 加筋方式对热模态的影响 168

8.4 连接板热模态特性的仿真分析 170

8.4.1 连接板有限元模型 170

8.4.2 连接方式对热模态的影响 172

8.4.3 结构模态在热环境下的交换现象 174

8.5 本章小结 179

第9章 热环境下结构动力学响应的高效计算 181

9.1 引言 181

9.2 基于降阶方法的非线性声振响应预示 181

9.2.1 非线性系统的降阶处理 181

9.2.2 两种刚度系数求解方法的可靠性分析 184

9.3 实例分析与讨论 188

9.3.1 固有频率对比 188

9.3.2 非线性振动响应结果验证 189

9.3.3 考虑声压相位差的非线性振动响应特性 190

9.3.4 热环境下板的非线性振动响应特性 193

9.4 高频响应的能量有限元分析 197

9.4.1 考虑热效应的壁板能量控制方程 197

9.4.2 考虑热效应的耦合板能量传递特性 201

9.4.3 非均匀热环境下耦合板能量分析流程 203

9.4.4 均匀热环境下简支平板能量分析 204

9.4.5 非均匀热环境下耦合板能量分析 208

9.5 本章小结 211

第10章 潮湿环境下结构的声振特性 212

10.1 引言 212

10.2 湿度对正交各向异性板声振特性的影响 212

10.2.1 湿振问题的数学模型 213

10.2.2 临界屈曲湿含量 216

10.2.3 湿模态特性 216

10.2.4 受迫振动与声响应 218

10.2.5 各向异性刚度对湿环境下声振特性的影响 220

10.2.6 数值分析与对比 222

10.3 非均匀湿分布对结构声振特性的影响 223

10.3.1 湿扩散方程 224

10.3.2 湿环境下动力学方程 225

10.3.3 湿度扩散计算 225

10.3.4 湿模态分析 227

10.3.5 振动和声辐射分析 228

10.4 本章小结 229

参考文献 230

附录 249

附录A 式(7-19)中各系数表达式 249

附录B 式(7-67)式 (7-71)中各系数表达式 251

附录C 受热加筋板应变能及各分量表达式 252

附录D 式(8-75)中各矩阵表达式 257

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第1章 绪论

　　装备系统在运行时，常受到温度、湿度、振动、噪声、静载、冲击、过载等不同形式载荷的作用。这些因素或单独、或多个同时存在，构成了特定的服役环境，直接影响装备结构的设计性能，在很大程度上决定了其在服役期内的可靠性和实际寿命。

　　随着装备性能不断提升，其服役环境的严苛程度也不断提高，主要体现在两方面：其一，载荷量级更高。以飞行器为例，巡航速度的提高使其受到更强的气动加热作用，结构温度变化更加剧烈，热环境的影响逐渐凸显;同时，更强的气动噪声产生更髙量级的噪声激励，导致结构动态响应表现出更强的非线性特性。其二，载荷形式更复杂。飞行器在高马赫数下航行时，气动热、气动噪声、机械振动、过载等往往同时作用，且各因素间也存在不同程度的相互影响，形成了多物理场耦合的载荷环境，导致结构响应的复杂程度显著提高，为系统响应预示造成更大困难。

　　对于众多装备结构，热、振动和噪声是较为常见的载荷因素。例如，在飞行器、燃气轮机、发动机、核反应堆等系统中，其核心部件在经受温度变化的同时，也常受到机械振动和噪声激励作用。热、振、声三场环境的载荷条件，导致结构表现出新的动力学行为，可能对系统的安全运行带来隐患。因此，针对热结构的声振特性，建立一套完整有效的分析方法，获得结构特性随载荷因素的变化规律，对装备结构的优化设计和先进制造具有重要的指导意义。

　　1.1 结构服役环境

　　1.热环境

　　装备结构在服役过程中所承受的热载荷有多种来源。虽然形式不同，但均会不同程度地导致结构温度变化。例如，髙超声速飞行器服役时，其外表面受到气流强烈摩擦产生的气动热作用，可导致结构温度在短时间内升至1400°C以上[7];重型燃气轮机在工作时，髙温髙压燃气持续流过转子和叶片，可使其表面温度长时间保持在1600°C以上航天器在轨运行时，在反复进出地球阴影区的过程中，高通量的热辐射变化会使结构温度发生上百摄氏度温差的周期性变化M。

　　在所处热环境作用下，结构温度发生变化，进而影响装备系统的运行状态。首先，温度变化会改变结构材料的物理属性，升温往往导致材料变软、结构刚度降低，破坏其承载性能。其次，热载荷会使结构产生膨胀，改变其几何构型及应力状态，影响其稳定性和动态性能。同时，装备结构的温度变化还会改变其内部环境温度，影响结构部件和电子元器件以及操作人员的工作条件。以上热环境的各种作用，都会对系统状态产生影响，且负面影响居多，对装备结构的设计和制造提出了更髙要求。

　　2.力学环境

　　装备结构在工作时，除了受热环境影响，也会经受不同形式载荷的作用。以高超声速飞行器为例，外部空气被压缩并髙速流过飞行器表面，由此产生的气流压力扰动造成髙频髙强度噪声激励，使其在局部位置可达到甚至超过180dB。该作用会引起结构振动，一方面，使结构内产生高频交变应力，经过长时间工作，可能诱发部件疲劳失效以及裂纹扩展甚至断裂，导致飞行器结构破坏或发生解体；另一方面，起初的小幅振动在气流压力的作用下，很可能演变为发散的大幅自激振动，即发生颤振，在短时间内造成飞行器结构的灾难性破坏。

　　在飞行器内部，发动机提供强大动力以维持髙速飞行，但也会对飞行器系统产生强烈扰动。发动机工作时的振动会对飞行器产生动态激励，引起结构振动；同时，发动机运转时产生的噪声也会改变飞行器内部及外部的声学环境，使得系统各元器件处于持续高声强的条件下工作。

　　另外，由现有试验机飞行测试结果可知，髙速飞行器可在短时间内加速到接近马赫数为10的巡航速度M。在此加速过程中，飞行器结构受到巨大过载，承受大于自身重力数倍的加速度作用，结构强度及承载能力受到考验，其动态特性也会发生变化。

　　3.综合环境

　　处于热环境和力学环境的综合服役条件下，飞行器系统的运行状态也呈现出复杂的变化过程，其热场、力场、声场等各物理场间存在明显的耦合关系。受温度变化影响，材料物理属性及结构状态均会产生变化，从而改变飞行器的动力学特性。结构振动会改变飞行器的声环境，声介质的扰动又会反作用于结构，影响其动态特性，改变飞行器结构的工作状态。同时，结构响应变化又会直接影响飞行器的气动特性，进而改变温度分布。在巡航过程中，高速飞行器的各环境因素均影响着系统服役性能，并且各因素间也存在互相作用。温度变化、结构振动以及声环境变化往往同时发生，且各物理场间存在耦合关系。飞行器系统所处的复杂条件可能导致其工作环境恶化，加速结构破坏及系统失效。

　　与高速飞行器类似，其他处于综合服役环境下的装备系统，如燃气轮机、航空发动机、火箭发动机、核反应堆等，其结构在工作时的运行特性也大体相同。

　　1.2 研究现状

　　在对具体问题的讨论中，多物理场的耦合作用常会引起系统中各未知量间的髙度非线性关系，使问题的复杂程度提髙，导致求解难度增大，甚至出现无解的情况。为有效降低求解难度，在实际分析中，常根据特定问题对各物理场进行解耦处理。

　　很多情况下，结构温度的波动频率往往远小于其所受外激励的频率，且热状态主要由结构热条件决定。因此，在动态过程中，温度场可认为是恒定不变的，将其简化为稳态条件来处理，热场与振动位移场间可实现解耦。

　　在结构与声介质组成的系统中，结构振动与声响应问题的分析方法可分为两种：其一，关注结构变形对空间声介质的扰动，由结构振动响应计算其声辐射量，考察系统将机械能转化为辐射声能的水平；其二，关注结构变形与空间声介质扰动之间的耦合作用，同时求解结构振动响应及空间声压分布，考察机械振动与声耦合系统的整体特性。

　　1.2.1 结构的热振动研究

　　关于结构热弹性问题的研究可追溯至十九世纪初期，由法国学者Duhamel在法国科学院宣读并发表在1837年的学术期刊上。其内容主要包括边值问题求解，以及温度场与结构变形场的耦合问题求解。早期的结构热弹性研究多针对静力问题开展，通过将结构温度变化产生的热载荷转化为面力或体力，把问题退化为普通的弹性力学问题，并采用经典弹性理论进行求解。

　　在第二次世界大战前后，由于工业生产、武器制造及航空装备等领域内科学技术的快速发展，结构热弹性问题也逐渐在更大范围的工程应用中凸显。在此期间，研究的主要内容包括对复杂机械系统及其部件的热应力分析、对不同材料结构在不同载荷作用下许用应力的评估、对结构受热时的稳定性预测等。这些工作主要关注结构在热载荷作用下的静态、准静态及稳定性问题。同时，结构热弹性问题的分析对象也逐渐由无限大体或半无限大体扩展至条带状结构、圆盘、球形结构、圆柱壳等更复杂的基础构造物。随着计算数学和计算机技术的快速发展和广泛应用，结构热弹性问题数值解法的研究也得到了发展。在众多分析方法中，应用较多的主要包括有限条分法(finite strip method，FSM)[23]、有限差分法(finite difference method，FDM)[24]、有限体积法(finite volume method，FVM)[25]以及有限单元法(finite element method，FEM)[26-33]等。其中，有限单元法在建立计算模型时，将形式复杂的结构离散成几何形状规则的单元体集合，从而实现对任意结构的分析，并能获得较合理的结果，在各数值方法中使用*为广泛。

　　在服役过程中，工程结构常受到时变因素的作用，结构状态也在不断变化。与静力问题相对应，结构在动态过程中的热问题也具有重要的研究价值，是考察仪器仪表、工业机械及航空航天运载器等受热结构运行状态及失效破坏的基础。在这些问题中，热结构的动态响应往往是决定系统安全性及使用寿命的重要因素。

　　温度变化对结构的直接作用主要体现为可改变材料的物理属性，以及改变结构的应力状态和构型。一般情况下，材料的弹性模量随温度升髙呈单调降低的变化趋势（少数材料会升髙)，导致结构变软。热应力及热变形的影响则更复杂，不但受温度分布影响，还由约束条件、结构构型及材料分布等因素决定。在建立热结构的振动控制方程时，材料物理属性的变化改变本构关系，应力状态和构型的变化改变结构受力情况。对于前者，直接改变结构的刚度即可；对于后者，可把热载荷产生的热应力计入结构微元体的平衡条件，或从能量角度出发利用Hamilton原理，将热因素对结构动态响应的影响引入推导过程。因此，在处理热振动问题时，可将热应力转化为结构在初始静态热载作用下的振动响应分析。

　　针对受初始载荷作用的结构动态响应问题，在二十世纪中叶，Weinstein和Chienl以及Kaul和Tewari分析了固支板在预加载均匀拉力和压力条件下的振动响应。DickinSOn究了各向同性板在面内剪力作用下的横向自由振动。采用类似的处理方法，学者们也考察了正交各向异性板在受面内初始载荷作用下的动态响应特性。作为初始载荷的一种特殊情况，当初始内力是由热载荷引起时，结构在热环境下的振动特性也可以采用相同的方法进行分析。胡琦考虑热应力和热弯矩的作用，建立了扁壳热致振动的控制方程，得到了四边简支扁壳在热冲击载荷作用下振动响应的理论解。Jadeja和Loo[45]针对结构热致振动问题，计算了矩形平板在热流输入条件下的温度变化及热应力和热弯矩分布，并考虑热载荷对控制方程的影响，采用Galerkin法给出了受热板振动响应的双三角级数形式近似解。吴晓和马建勋采用改进L-P法和伽辽金原理，对正交异性矩形平板和圆柱壳在热载荷作用下的非线性振动问题开展研究。Shu等[48]考虑温度场及应力场间的耦合效应，分析了固支圆板的自由振动特性。Yeli研究了在热力耦合作用下正交各向异性板的大挠度振动问题，计算结果表明，热力耦合效应表现为热弹性阻尼的作用，减小了结构振动响应幅值。考虑结构应力及材料物理属性随温度的变化，对热环境下功能梯度矩形板的振动问题建立了理论分析方法。Brischetto和CarreraM釆用热力完全親合模型，研究了单层及双层受热金属板的自由振动间题。Zhang等建立了简化叶片模型在均匀热载和梯度热载作用下的动力学方程，研究了受热叶片结构的非线性振动问题。

　　由于理论分析中基础假设的理想化，其仅能对某些特定结构及问题进行解答，对于结构形式和热载荷分布较为复杂的情况，则可借助数值方法获得分析结果。其中，有限元法因具有较好的适应性，得到了广泛应用。针对板件等基元结构，在二十世纪七十年代末，沈守正编制了求解板热刚度和热振动的有限元程序，针对简单问题得到了与精确解吻合较好的数值预测结果。Fallon和TliomtonM通过在有限元振动方程中加入预应力刚度矩阵（也称几何刚度矩阵)，考察了热应力对薄壳振动响应及稳定性的影响。Ganesan和Dhotarad[56]利用有限元法分析了矩形平板的热应力，并以此为基础，采用有限差分法及变分法分析了在热应力作用下的振动特性。Liu和HUang[57]考虑一阶剪切变形效应，采用有限元法分析了存在热应变作用时层合板的振动特性。杨自春建立了考虑热应变的有限元模型，研究了受热复合材料层合板的非线性振动问题。刘芹等采用商业有限元软件对薄壁圆柱壳进行传热及热应力求解，再利用预应力模态分析实现非线性热振动特性的计算。Amabili和Caxra[61]采用数值计算及实验方法，分析了热作用下板的非线性受迫振动响应。针对复杂结构，薛明德等利用有限元法对哈勃太空望远镜太阳能帆板的热致振动问题开展研究。文献[65]和[66]对飞行器变厚度舵面结构进行瞬态传热过程的温度分布和固有振动特性分析，研究发现在加热过程中，结构的固有频率呈现先下降后升髙的趋势，并指出热效应对弯扭耦合模态影响**。Mariana等[67]考虑气动热及静压力改变结构形状及应力状态，开展金属热防护结构的随机噪声激励响应分析。研究发现，热载荷对结构在较高频率段内的响应影响明显，响应曲线在热环境下出现了新的共振峰。张博和李跃明考虑结构缝隙处的热短路效应，采用有限元法研究了工作状态下热防护系统内的温度分布及热模态特性。

　　在理论及数

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装备结构服役时，受到温度、湿度、振动及噪声等多物理场的作用，其动态响应准确预测的难度显著增加。针对装备结构在复杂服役环境下的动态特性，《热结构的声振特性》通过理论建模、数值仿真和实验验证相结合，建立一套典型壁板结构在热环境下的声振特性分析方法，获得结构振动和声响应随温度的变化规律，从理论上解释演化过程的原因，揭示热载对结构动态特性的影响机理，发展针对几何非线性和高频响应预测问题的高效仿真计算方法，为复杂热结构的声振响应预测提供参考依据和技术手段，并对潮湿环境下复合材料壁板的声振特性进行讨论。