超声速气流中曲壁板的非线性气动热弹性分析

由于存在初始曲率效应和气动热效应，曲壁板热颤振是超声速飞行器设计中必须考虑的非线性气动热弹性失稳现象，是一个典型的流-固-热多物理场耦合系统的稳定性问题。本项目以超声速气流中金属/复合材料（功能梯度复合材料和层合复合材料）曲壁板为研究对象，通过理论分析和数值仿真，研究高超声速气流中受热曲壁板的非线性气动弹性变形特性和热颤振响应特性，揭示超声速气流中受热曲壁板产生热-流-固耦合不稳定性的机理，获得设计参数对曲壁板非线性热颤振稳定性的影响规律，提出曲壁板非线性热颤振的分析原理和分析方法，为超声速气流中金属/复合材料曲壁板热颤振控制和曲壁板热颤振优化设计提供理论基础。

高超声速飞行器机体表面的蒙皮结构都设计成带有一定初始曲率的曲壁板形式，因此，实际上高超声速飞行器设计中更多的应考虑受热曲壁板的气动弹性稳定性问题。为了研究高超声速气流中受热曲壁板的非线性气动弹性变形特性和热颤振响应特性，揭示超声速气流中受热曲壁板产生热-流-固耦合不稳定性的机理，获得设计参数对曲壁板非线性热颤振稳定性的影响规律，本项目主要开展了如下三项内容的研究：超声速气流中受热曲壁板的非线性气动弹性建模，曲壁板的非线性气动热弹性特性分析和曲壁板非线性气动热弹性特性的参数影响规律分析。.建立了超声速气流中二维金属曲壁板气动热弹性运动方程和三维复合材料曲壁板热颤振分析的有限元模型，发展了曲壁板非线性气动热弹性方程的求解方法和求解程序，分别建立了三维曲壁板在固有模态空间的降阶模型和正交特征分解（POD）空间的降阶模型，提出了针对超声速气流中受热曲壁板静/动气动弹性特性的一体化分析方法。通过数值求解，较系统的分析了二维曲壁板的气动热弹性静变形、非线性热颤振响应及其稳定性等复杂动力学现象。通过时域求解方法计算了超声速气流中二维和三维曲壁板热气动弹性响应和稳定性边界，获得设计参数对曲壁板气动热弹性稳定性的影响规律。建立了带附加集中弹性支撑的三维曲壁板颤振运动方程，研究了三维曲壁板颤振动压随弹性支撑位置变化的规律。研究了以壁板颤振系统为代表的颤振系统中的一个特殊几何缩比效应，获得了结构几何尺寸缩比时，壁板颤振特性的相似变化规律。.基于理论分析的研究成果，本项目最终形成了一套三维曲壁板非线性热颤振分析软件，在国内外学术刊物和学术会议上发表论文20篇（含三篇已录用），其中被SCI检索4篇，EI检索11篇。在项目研究过程中，培养硕士研究生2名（1名已经毕业），博士研究生2名，青年学术骨干1名。