气动-热诱发的功能梯度圆柱壳颤振响应

The functionally graded material(FGM) can be widely used in the Thermal Protection System (TPS) of advanced Reusable Launch Vehicles (RLVs). As skin structures of TPS, FGM cylindrical shells have duel functions: thermal protection and load bearing. Because of the severe environment, static and dynamic instabilities including buckling and flutter of FGM cylindrical shells are induced by aero-thermal load. The geometrical nonlinear flutter response has adverse effect on load bearing capability and fatigue fracture of structures. In this project, temperature dependent heat conduction and hybrid theory are adopted for nonlinear heat transfer simulation. The aero-thermo-elastic model is established by the use of Mori-Tanaka theory, von-Karman-Donnell nonlinear strain-displacement relations, Love's shell theory and supersonic piston theory with curvature correction. The aero-thermal nonlinear flutter response behavior of FGM cylindrical shells is investigated. The mechanism of aero-thermo-elastic coupling of FGM cylindrical shells in supersonic high temperature environment is discussed. The complex nonlinear flutter response is highlighted. A structural design principle is to be proposed for keeping the FGM cylindrical shell free of flutter. It can be seen that the project is not only valuable in academic sense, but also important for industrial application of FGM panels in TPS of RLVs.

功能梯度材料在未来高速飞行器的热防护系统中有广阔的应用前景，功能梯度圆柱壳用做热防护系统的外层结构，可兼顾隔热和承载的双重功能。但由于服役环境极端严酷，气动-热可诱发功能梯度圆柱壳的静力失稳（屈曲）和动力失稳（颤振），其中几何非线性的颤振响应问题严重影响结构的服役性能和疲劳寿命。本项目采用变物性传热理论和混合传热模型建立功能梯度圆柱壳的非线性热传导方程，采用Mori-Tanaka方法、von Karman-Donnell非线性应变-位移关系、Love壳理论、带有曲率修正的超声速活塞理论建立功能梯度圆柱壳的气动-热-弹性模型，研究气动-热诱发的功能梯度圆柱壳非线性颤振响应行为，揭示超声速流高温环境中功能梯度圆柱壳的力-热耦合机理。通过项目研究，能够从防颤振设计角度提出可用于指导工程实践的功能梯度圆柱壳的结构设计原则，对未来高速飞行器的热防护系统设计及学科自身发展都具有重要意义。

功能梯度材料在未来高速飞行器的热防护系统中有广阔的应用前景，功能梯度圆柱壳用做热防护系统的外层结构，可以兼顾隔热和承载的双重功能。项目针对高速飞行器极端严酷的力-热服役环境，研究气动-热诱发的功能梯度壁板静力失稳（屈曲）和动力失稳（颤振）行为，重点讨论力-热环境和结构设计对壁板非线性颤振响应的影响规律。取得的重要结果和关键数据如下：（1）建立了考虑结构大变形、材料非均质和温度相关的功能梯度壁板气动-热-弹性力学模型。计算结果表明，超声速气流中功能梯度壁板的热屈曲变形不再关于中轴线对称，最大变形位置向顺气流下游推移，变形幅值随着气流速压增大而降低。（2）发展了功能梯度壁板气动-热-弹性有限元方程的模型降维技术，基于数值+解析的求解方法，可以对任意几何形状、边界条件、材料分布和温度分布的功能梯度壁板求解热屈曲平衡点，并在此基础上确定后屈曲壁板的颤振临界条件。发现后屈曲壁板可同时具有多个局域渐近稳定的平衡点，初始扰动（变形或速度）会影响动态响应的收敛方向，进而影响壁板的全局稳定性。（3）温度较高时功能梯度壁板的极限环颤振会很快演化为混沌颤振。这时壁板振动响应的幅值较大、频率成分复杂，对结构疲劳寿命有不利影响。同时发现受热功能梯度壁板在气流速压低于Hopf分岔临界速压时可发生“二次失稳”颤振。对应于工程实践，意味着超声速航空器在高空飞行或者航天器在发射和再入大气层的过程中，因气动加热显著，会在动压很小的情况下（低超声速或高空状态）发生壁板颤振。通过项目研究，从防颤振设计角度提出了可用于指导工程实践的功能梯度壁板的结构设计原则，对未来高速飞行器的热防护系统设计及学科自身发展都具有重要意义。