复杂环境下梁板结构屈曲与颤振研究

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随着航空航天工业的飞速发展,新型飞行器呈现出高速化、轻量化、大型化的发展趋势。这对飞行器的发动机及结构设计提出了很高的要求。转子叶片作为换能装置,是航空发动机最为重要的构件之一,其动力学性能直接决定航空发动机的工作效率及使用寿命。动力学特性作为评价转子叶片性能的重要衡量标准,有必要对其开展研究。除此之外,壁板作为所处环境最为恶劣的飞行器的外表面结构,其受气动力、热载荷、弹性力及惯性力综合作用,最易遭到破坏。所以有必要对飞行器壁板的力学特性开展研究。  本文主要工作分为两大部分:首先将转子叶片等效为旋转变截面梁,对其动力学特性进行分析;其次对功能梯度材料壁板在常温及受热环境下的静力学及动力学特性进行研究。主要工作及成果如下:  首先,将航空发动机转子叶片等效为旋转变截面梁,利用Frobenius方法推导出旋转变截面梁的假设模态,并计算出旋转变截面梁的振动频率及振型函数。对频率的收敛性进行分析,将计算结果与有限元方法进行对比,结果证明Frobenius方法在旋转变截面梁动力学特性分析方面具有高效率和高精度。利用 Frobenius方法对带冠旋转变截面梁的振动特性进行分析,研究了叶冠质量对旋转变截面梁振动特性的影响。研究结果表明,叶冠质量对梁的振动特性影响显著。  其次,分别利用假设模态及有限元法对功能梯度壁板振动特性进行了分析,并对假设模态法及有限元结果进行了对比,利用有限元法分析不同边界功能梯度板的振动特性。利用 ANSYS软件对功能梯度板的振动特性进行模拟,对模拟结果进行了分析。利用假设模态法对简支功能梯度板的颤振特性进行了研究,研究了功能梯度材料的材料参数特性及板的几何尺寸对颤振特性的影响。利用假设模态法对简支功能梯度板的非线性颤振响应进行了研究。  最后,利用假设模态法对热环境下简支功能梯度板的屈曲、振动及颤振特性进行了分析。给出了简支功能梯度板的热屈曲临界温度。研究了温度变化及气动力对简支功能梯度板热屈曲变形的影响。利用假设模态法研究了热环境下功能梯度板的振动特性,研究了温度变化对振动频率的影响。利用假设模态法分析了热环境下简支功能梯度板的颤振特性,研究了功能梯度板材料特性、几何参数及温度对颤振特性的影响。对比了考虑板厚度方向热传导及均匀温升两种热处理方法在简支功能梯度板屈曲、振动及颤振分析中的计算结果。利用 ANSYS软件对功能梯度板热屈曲现象进行了模拟,并分析了功能梯度板受热屈曲变形机理。
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