薄壳非线性气动弹性系统初始缺陷敏感度研究

Thin shells are fully used in the aerodynamic shape design of near space high speed vehicles. In the manufacture process or service stage, some initial imperfections will be formed, which can significantly affect the stabilities and the nonlinear dynamic behaviors of the aeroelastic shell systems. To investigate these sensitivities of initial imperfections is an important work with theoretical and practical significance. In this project, the new analytic method to solve this problem will be established based on the theories of the shell imperfection sensitivities and the nonlinear aeroelasticities, which will reveal the effects of initial imperfections on the complicated nonlinear dynamic behaviors and the mechanisms, and can provide the theoretical reference and technical support for wind tunnel experiment, aeroelastic design and vibration control. The main research contents include: the establishment of nonlinear aeroelastic models of the imperfect shells, the imperfection sensitivities of aeroelastic shallow cylindrical shells and conical shells, the initial imperfection sensitivities evaluating system, the deduction of the basic shell aeroelastic models to other shell forms, the unified analysis method for aeroelastic shells, and the ground model experiments.

近空间高速飞行器具有薄壳形式的气动外形，薄壳在制造流程或服役阶段会存在初始缺陷，将影响薄壳非线性气动弹性系统的运动稳定性及非线性动力学行为。研究系统对这些缺陷的敏感度具有重要的理论意义和工程应用价值。本研究拟从现有的初始缺陷敏感度理论和薄壳非线性气动弹性理论出发，建立薄壳非线性气动弹性系统初始缺陷敏感度的理论分析方法，以期揭示初始缺陷影响下系统的复杂非线性动力学现象及其产生机理，为高速飞行器的风洞实验、气动弹性设计、振动控制等问题提供理论依据和技术支持。主要研究内容为：建立含有初始缺陷的薄壳非线性气动弹性力学模型，研究圆柱形扁壳和完全截锥壳非线性气动弹性系统的初始缺陷敏感度，建立初始缺陷敏感度理论评价体系，将基本薄壳气动弹性模型向其它薄壳模型演化,并建立薄壳气动弹性系统统一分析方法，进行模型地面模拟实验等。

薄壳作为一类常见的超声速飞行器结构,在制造流程或服役阶段会存在初始缺陷，将影响薄壳非线性气动弹性系统的运动稳定性及非线性动力学行为。本研究将初始缺陷定义为初始几何缺陷和初始物理缺陷，初始几何缺陷主要指由加工装配和塑性累积引起的初始挠度，初始物理缺陷主要指初应力和裂纹、空穴、夹杂等。根据上述分类，选取圆柱形扁壳和完全截锥壳两个代表性模型，共开展了如下理论和实验研究：(a)含有初始挠度的圆柱形扁壳线性颤振临界动压研究；(b)含有初始挠度的圆柱形扁壳气动弹性系统非线性响应研究；(c)含有轴对称初始挠度的完全截锥壳线性颤振临界动压研究；(d)含有轴对称初始挠度的完全截锥壳气动弹性系统非线性响应研究；(e)含有一般形式（非轴对称）初始挠度的完全截锥壳气动弹性系统非线性响应研究；(f)含有初应力的圆柱形扁壳线性颤振临界动压研究；(g)含有初应力的圆柱形扁壳气动弹性系统非线性响应研究；(h)含有初应力的完全截锥壳气动弹性系统非线性响应研究；(i)含有初始物理缺陷圆柱形扁壳线性颤振临界动压研究；(j)含有初始物理缺陷圆柱形扁壳气动弹性系统非线性响应研究；(k)含有横流向裂纹亚音速悬臂板的线性颤振临界动压研究；(l)含有横流向裂纹悬臂板的亚音速风洞实验；(m)无流场状态下圆柱形扁壳的固有动力特性实验和缺陷识别。通过项目实施，基本建立了具有初始挠度缺陷、初应力、初始物理缺陷的超声速薄壳气动弹性系统的非线性理论分析方法。同时进行的亚音速风洞的缺陷悬臂板的颤振实验和无流场状态的薄壳损伤识别实验，也为超声速薄壳的类似实验提供了一定的参考。