谢丹,冀春秀,景兴建

1. 西北工业大学 航天学院,西安 710072

2. 香港理工大学 机械工程系,香港 999077

壁板颤振是一种自激振动,当飞行器在超声速流场中飞行时,其表面的薄壁结构将会受到单侧气动力的激励而发生结构振幅不衰减的振荡,这是一种典型的超声速现象[1]。随着对现代飞行器更轻更快的设计要求,高超声速飞行器由于其飞行任务及结构设计的特性,在飞行过程中将面临着极端的气动力环境与气动加热环境。相较于超声速飞行器,除了气动力的作用,还存在气动加热的影响,因此高超声速飞行器的薄壁结构将面临更为复杂严峻的非线性热颤振现象。具体地,飞行器壁板结构的气动热不但以热载荷的形式改变弹性结构的物理形变,同时,温度变化将引起结构材料温变；反之,结构的物理形变将改变气动热流及温度分布。因此,考虑气动热与结构形变相互反馈作用的热气动弹性问题的双向耦合建模与分析对于高超声速飞行器结构设计及热防护系统设计与优化至关重要。

而随着高超声速飞行器任务多样性与复杂性越来越强,飞行过程中变来流参数条件下的热气动弹性响应更加剧烈且不易预测,同时飞行任务往往是高超声速状态下较长时间的飞行,因此,弹道状态下变来流参数(如飞行高度、马赫数等)的热气动弹性耦合分析将尤为必要。

Culler和McNamara[2]在热气动弹性分析方面进行了开创性研究,在固定高度、固定马赫数条件下考虑了弹性变形与气动加热之间的双向耦合作用,计算了壁板的瞬态温度空间分布及其引起的热应力、热弯矩与温变的材料特性。……