轴向高速飞行粘弹性阻尼夹层结构热机耦合振动特性及稳定性研究

高速飞行粘弹性阻尼夹层广泛用于高速列车车厢、风力机叶片、飞机蒙皮、航天器展开附件、高速飞行导弹、潜艇等的减振降噪。前人针对轴向运动物质的研究表明轴向运动都会伴随有横向振动，振动强度与运动速度密切相关，并且运动速度达到或超过某临界值时，将导致运动失稳。目前尚少见飞行运动效应对粘弹性阻尼夹层结构振动特性（固有频率、损耗因子、分岔与混沌等）与稳定性影响的研究内容，更未见涉及综合热效应（包括气动生热、热交换、热膨胀等）与飞行运动效应联合作用下粘弹性夹层结构振动特性与稳定性的研究。本项目拟将高速飞行粘弹性阻尼夹层结构简化为高速轴向运动的粘弹性夹层板模型，研究高速轴向运动、考虑综合热效应的热机耦合、边界自由或支座高速运动、综合热效应与轴向运动联合影响等情况下，粘弹性阻尼夹层板的振动特性与稳定性特征。预计本项目将在综合热效应与轴向运动耦合作用下粘弹性夹层板建模、振动特性和稳定性分析等方面取得创新性成果。

高速飞行粘弹性夹层结构广泛应用于航空航天、汽车、高速列车等领域，对其动力学特性和稳定性的研究可以为机械设备的减振降噪提供理论依据，因此具有重要的工程意义。同时，该类问题还涉及高维非线性系统、多场耦合等前沿性问题以及应用数学、力学、工程热物理、航空航天等多学科交叉，因此具有重要的学术价值。本项目将高速飞行粘弹性阻尼夹层结构简化为轴向运动的粘弹性夹层板和夹层梁，对轴向运动粘弹性夹层板和梁、热机耦合轴向运动粘弹性夹层板和梁、自由边界轴向运动粘弹性夹层梁横向振动的动力学特性和稳定性、动力学响应进行了研究，取得了如下重要结果：（1）在影响夹层结构横向振动固有频率的几个因素中，夹心层厚度、轴向运动速度、轴力、热机耦合效应作用显著，而粘弹性和热传导影响微弱；（2）上述各因素对夹层结构的模态颤振稳定性、气动弹性稳定性和非线性动力学稳定性影响都非常显著；（3）轴向运动速度主要影响位移场，对温度场的影响非常小。研究在理论建模方面取得了三个突破：（1）考虑横向可压缩性，提出了一套轴向运动粘弹性软夹层梁结构建模的方法；（2）克服了经典模型中平截面假设和横向不可压缩假设的不足，提出了一种全新的2结点16自由度有限梁单元模型；（3）综合考虑热机耦合、轴向运动、粘弹性和夹层等因素，提出了一套热机耦合轴向运动粘弹性夹层结构建模的方法。在研究方法上，给出了一套有效处理轴向运动粘弹性软夹层结构和热机耦合轴向运动粘弹性夹层结构振动特性和稳定性的方法。此外，项目还对旋转粘弹性夹层梁、粘弹性夹层圆板和环形板等非轴向运动粘弹性夹层结构进行了研究。研究达到了预期的目标。