轴向高超声速运动柔性梁横向振动特性及稳定性研究

轴向运动物体或物质例如锯子、磁带、管中流体、射出的箭等都会伴随有横向振动或运动。前人针对轴向运动梁或弦模型的研究已经发现，当轴向运动速度达到或超过某一临界值时，将会导致系统的横向刚度丧失，引起运动失稳。在实际系统中，这种失稳可能会导致锯子折断、磁带缠绕、箭体折毁或偏离目标。轴向运动的速度越高，其对横向振动的影响越显著。目前，高超声速导弹（飞行马赫数在5以上）是众多国家争相发展和研制的新一代尖端武器。高超声速导弹具有较大的长径比，其在横向的弯曲刚度相对较小，加之轴向超高速运动以及相应的气动加热效应，将使其横向弯曲振动特性受到很大影响。本项目拟将高超声飞行导弹简化为轴向高超声速运动的柔性梁模型，重点研究高超声轴向运动速度以及由其导致的气动加热效应对梁横向振动特性和稳定性的影响。预计本项目可在轴向运动和温度效应耦合下的梁振动模型建立、振动特性和稳定性分析等方面取得具有创新意义的成果。

本项目以高速运动火箭或导弹为背景,采用轴向高速运动柔性梁进行理论建模，研究轴向运动速度以及由高速运动导致的气动加热效应对梁横向振动特性和稳定性的影响。项目研究主要完成了轴向高超声速飞行梁横向振动的建模、振动特性、稳定性、热效应、轴向高速运动效应、金属热防护系统建模等方面的研究。研究表明，当梁轴向速度增加到一定值后，第一阶固有频率下降为零，系统产生失稳。对于本项目研究中采用的例题而言，当梁的轴向运动速度达到5.3马赫（1800m/s）左右时失稳发生。而现代高超声速飞行器定义的飞行速度是5马赫以上，可见在高超声速飞行器的设计中，轴向速度效应是必需加以考虑的重要因素。研究揭示了集中质量、沿轴向截面形态等因素对轴向高超声速飞行梁运动稳定性的影响规律，这对高超声速飞行器的设计具有重要参考价值。研究表明，当飞行速度在4马赫时，飞行器上的最高温度可达到1031K（758℃），热效应对结构振动特性产生显著影响。因此，综合考虑轴向运动速度、质量分布、温度等效应对飞行器的控制及其飞行可靠性设计具有重要价值。