力學(xué)大會2015集燃燒室結(jié)構(gòu)高溫環(huán)境下響應(yīng)特性研究

中國力學(xué)大會-，，，（西安交通大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動國家，西安開展高溫環(huán)境下燃燒室結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性的研究，對評價飛行器結(jié)構(gòu)在服役過程中的安全性和穩(wěn)定性具有重要作用。本文以飛行器燃燒室結(jié)構(gòu)為例，采用模態(tài)位移法開展了其在熱環(huán)境下響應(yīng)特性的研究。首先建立了燃燒室結(jié)構(gòu)的有限元模型，并開展了常溫模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證了有限元模型的正確性。然后在高溫環(huán)境下對該有限元模型施加典型白噪聲激勵，同時考慮隨溫度變化的物性參數(shù)的影響，針對度變化的彈性模量、熱應(yīng)線性等因素對結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性的影響大小進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：隨著溫度升高，結(jié)構(gòu)響應(yīng)峰值位置前移，響應(yīng)峰值大小發(fā)生變化。在影響高溫環(huán)境下響應(yīng)特性變化的因素中，隨溫度變化的彈性模量對響應(yīng)峰值位置前移起主要作用，熱應(yīng)力和幾何非線性的影響不大。阻尼的大小會隨溫度而變化，但阻尼主要影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)量級的大小，對響應(yīng)峰值的位置基本無影響。研究結(jié)果將對飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和振動控制具有一定的參考意義。引 上式可以改寫為

1）Theprojectwassupportedby 其中，[B

KT[B]T[DT

KTKL K[B]T[D][B其中，初始剛度矩陣

K T [G][

]

KKLKN 在穩(wěn)態(tài)溫度場下，無阻尼系統(tǒng)的自由振動方程MxKx0(Kω2M)0 移ξi(ti1,2,n后，系統(tǒng)的物理位移響應(yīng)就可以通過每一階振動的響應(yīng)進(jìn)行疊加求n

中后中后前圖1燃燒室結(jié)構(gòu)的有限元模 圖2燃燒室結(jié)構(gòu)的熱振試驗(yàn)平以試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閰⒖寄Ｐ?，有限元模型為?yàn)證模型，選取材料的彈性模量、密度、殼單元厚度等參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，試驗(yàn)和仿真之間的值為1、頻率誤差為0為優(yōu)化目有限元模型進(jìn)行了優(yōu)化。表1為加熱前優(yōu)化后試驗(yàn)和仿真前五階的模態(tài)對比，可以看出試驗(yàn)和仿真之間前五階的頻率相對誤差最大為15.4%階外，試驗(yàn)和仿真之間的值基本在0.6以上，可以驗(yàn)證所建立燃燒室結(jié)構(gòu)有限元模型的正確性，后續(xù)的響應(yīng)計(jì)算將以此有限元模型為基礎(chǔ)圖3為結(jié)構(gòu)前8階仿真模態(tài)頻率隨溫度變化曲線表15階試驗(yàn)仿真相對誤差1234125℃℃℃ ℃℃圖3結(jié)構(gòu)前8階仿真模態(tài)頻率隨溫度變化曲度場分析，同時考慮隨溫度變化的材料參數(shù)；然后進(jìn)行高溫下的熱應(yīng)力分析，以熱應(yīng)表2前300Hz模態(tài)12345響響℃℃℃℃℃ ℃℃圖4燃燒室響應(yīng)計(jì)算的激勵點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)位 圖5隨機(jī)激勵的大圖給出了節(jié)點(diǎn)在種不同溫度工況下Z向響應(yīng)計(jì)算的結(jié)果，可以看出30圖6節(jié)點(diǎn)213822在不同溫度工況下的響應(yīng)結(jié)表3節(jié)點(diǎn)213822在不同工況下Z向的響應(yīng)結(jié)果對比（前節(jié)點(diǎn)工況工況工況工況工況最大峰值位置最大峰值大小0圖7為燃燒室前300H范圍內(nèi)不同溫度工況下前5個主要峰值位置隨溫度的變化曲線5個主要峰值的位置前移，這主要由于溫度的升高使得結(jié)構(gòu)前300H模態(tài)數(shù)減少，各階模態(tài)頻率降低，進(jìn)而使得結(jié)構(gòu)響應(yīng)的主要峰值位置前移。圖8為不同工況下響應(yīng)點(diǎn)的值隨溫度變化曲線應(yīng)的值呈下降趨勢。

□□□□□□℃℃℃℃

℃℃℃℃℃ ℃℃

℃℃圖7燃燒室前300Hz范圍內(nèi)前5個主要峰值位置隨溫度的變化圖節(jié) 響應(yīng)的均方根值隨溫度變化曲圖10不同阻尼下響應(yīng)結(jié)果的對4 1，.燃燒室工作溫度場對熱應(yīng)力及變形的影響[A].第十三屆發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度振動學(xué)術(shù)會議，2006,125-2MurphyKD,VirginLN,RizziSA.Theeffectofthermalprestressonthevibrationcharacteristicsofclampedrectangulartes:theoryandexperiment[J].JVibAcoust,1997,119(2):243-9.INVESTIGATIONONTHERESPONSECHARACTERISTICSOFCOMBUSTORSTRUCTUREUNDERHOTENVIRONMENTSHAO LIU DONG WANGTheinvestigationoftheresponsecharacteristicsofcombustorstructureinhotenvironmentisimportantforevaluatingthesecurityandstabilityofaircraftstructuresintheprocessofservice.Thispaperstudiedtheresponsecharacteristicsofanenginecombustorinhotenvironmentwiththemodaldiscementmethod.Firstly,thefiniteelementmodelofcombustorwasbuiltandvalidatedbythemodalexperiment.Thenthetypicalwhitenoiseexcitationwasappliedtothismodel,andthevaryingmaterialsdependentontemperatureaswellasthermal-stressandgeometricnonlinearitywereconsideredinthecomputation,meanwhiletheinfluenceofthesethreefactorsonresponsecharacteristicswasstudied.Theresultsindicatethatthelocationofresponsepeaksmoveforward,andthesizeofresponsepeakschangewiththetemperatureincrease.Amongthefactorsthatinfluenceresponsecharacteristicsinhotenvironment,theinfluenceofYoung’smodulusysamajorrole,whiletheinfluenceofthermal-stressandgeometricnonlinearitycanbeignored.Moreover,thesizeofdamchangeswithtemperature,butthedamonlyinfluencesthesizeofstructure’sresponselevelsandhasnoinfluenceonth