高超声速飞行器极端环境下动力学环境预示方法研究

The hypersonic vehicle structures are exposed to such an extreme aerodynamic environment with high temperatures, large temperature gradient and high strength of aerodynamic noise, which has brought great challenges to the study of aircraft structural dynamics modeling and response indicates. The task of the project is to study the whole frequency band dynamics environment indicates methods of the hypersonic vehicles exposed to extreme conditions, with the target of slab structure dynamic response analysis of typical structure forms and materials, under the background of the dynamics environment indicates problem for hypersonic vehicles. The study includes modeling methods for the whole frequency band dynamics response analysis, the finite element model updating problem for the low-frequency structure dynamic response calculation according to the thermal vibration response data, the model updating problem in the middle-frequency and high-frequency band according to the acoustic vibration response data, and the efficient random dynamic response calculation methods for large numbers of degrees of freedom structures with time-varying parameters under distributed loads and developing corresponding software, the whole frequency band dynamic response computing technology and high temperature thermal-vibration test technology. The target is to solve the key scientific and technological issues of dynamics environment indicates for hypersonic vehicles, and to provide important theoretical basis and technical means for formulating the dynamics environmental conditions. Meanwhile it can lead the study of structural dynamics problems in extreme environments, endow new connotation to the classic structure dynamics, and promote development of the discipline.

高超声速飞行器结构要经受高温、大温梯度以及高强气动噪声这样极端的气动环境，这给飞行器结构动力学建模、响应预示研究带来极大的挑战。本项目以高超声速飞行器动力学环境预示问题为背景，以典型结构形式和材料的壁板结构动响应分析为目标，研究高超声速飞行器极端条件下全频段的动力学环境预示方法。包括热环境下全频段动响应分析的建模方法；以热振响应数据为依据的热环境下结构低频动响应计算的有限元模型修正问题；以声振试验数据为依据的中高频模型修正问题；高自由度时变参数结构及分布载荷作用下的随机动响应高效计算方法及软件开发；全频段动响应计算技术及高温热振试验技术等。目标是解决高超声速飞行器动力学环境预示关键科学技术问题，为动力学环境条件制定提供重要的理论基础和技术手段，同时可引领极端环境下结构动力学问题的研究，赋予经典结构动力学以新的内涵，促进学科发展。

本项目以高超声速飞行器动力学环境预示问题为背景，研究了高超声速飞行器极端条件下全频段的动力学环境预示方法。. 针对典型防热承力结构的复合材料夹层板结构，提出了新的分段低阶剪切变形理论和分段高阶剪切变形理论模型。与经典解析模型、传统低阶和高阶剪切变形理论比较分析表明新方法更加精确且适用范围更广。. 通过整合分层模型和等效单层模型的优势，提出了用于复合材料层合板和夹层板结构建模的分段剪切变形模型，并且以该模型为基础发展出了一种用于热环境下复合材料层合板和夹层板结构热振分析的C0连续四节点四边形等参板单元。与现有的模型相比，可以用较小的计算量获得足够精确的计算结果，具有很高的实际工程应用价值。针对固定支撑条件，给出热环境下复合材料夹层板结构高温环境下的传声损失特性的理论结果。. 对于高频计算的统计能量分析模型，提出了改进的通用的夹层板理论，并基于该理论在考虑边界条件影响情况下给出了夹层板模态密度计算理论方法，克服了现有经典公式各向同性假设的局限性，修正了计算正交各向异性夹层板模态密度的误差。针对统计能量分析模型参数具有显著对的不确定性，引入区间分析方法，建立了参数灵敏度和瞬态响应的区间分析理论。. 针对高超声速飞行时变质量及高温引起的时变刚度问题，建立了变质量系统哈密顿定律，并以此发展出了用于线性时变结构瞬态响应分析的协调及不协调两类时间有限元算法。针对时变算法计算量大的问题，基于多重多级子结构方法提出了一个高效的线性时变结构瞬态分析方法，与整体分析方法有相同计算精度，但有具有更高的计算效率。. 针对常用的动载荷识别的正则化类方法中参数选取依据不足问题，提出了一种最优正则化参数选取的商函数方法，与常用的L曲线方法相比较，不需要事先将最优正则化参数值确定在一个较小的范围内，就能保证最优正则化参数在搜索范围内。针对遥测数据中的噪声并不具有明显的高斯白噪声特性，引入L∞范数拟合，提出了一个新的动载荷识别步骤。