[发明专利]一种任意边界条件下复合材料层合板颤振及热屈曲特性的计算方法

说明书

一种任意边界条件下复合材料层合板颤振及热屈曲特性的计算方法。本发明的目的是提供一种任意边界条件下复合材料层合板颤振及热屈曲特性计算方法，通过调节边界弹簧的刚度来模拟结构的任意边界条件，揭示超声速气流中复合材料层合板颤振及热屈曲发生的机理，分析边界弹簧刚度对结构气动热弹性特性的影响规律，进而使得航天飞行器结构满足现代飞行器的设计要求。过程为：建立结构的应变‑位移关系以及本构关系；建立结构的气动热弹性运动方程；利用频域分析的方法求解结构的固有频率，分析结构的气动热弹性稳定性特性。本发明属于航空航天领域。

技术领域

本发明涉及一种任意边界条件下复合材料层合板颤振及热屈曲特性的计算方法。

背景技术

随着材料科学的不断发展，各种新型材料不断应用到航空航天领域。复合材料结构是一种轻质且刚度大的层合结构，可以通过设计纤维铺设角度来调节其力学特性，因此在飞行器结构的设计中得到广泛的应用。由于简支边界条件下结构的振动模态可以用简单的三角函数来表示，以往对结构的气动热弹性分析主要集中在简支板壳结构上。然而为了适应极端的飞行环境，航空航天飞行器结构的复杂程度不断加深，对简单边界条件下飞行器结构进行超声速气动热弹性分析并不能满足现代飞行器的设计要求。而弹性边界可以模拟飞行器结构的不同边界条件，因此对弹性边界复合材料板壳结构的气动热弹性特性进行研究具有重大的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种任意边界条件下复合材料层合板颤振及热屈曲特性计算方法，通过调节边界弹簧的刚度来模拟结构的任意边界条件，揭示超声速气流中复合材料层合板颤振及热屈曲发生的机理，分析边界弹簧刚度对结构气动热弹性特性的影响规律，进而使得航天飞行器结构满足现代飞行器的设计要求。

本发明一种任意边界条件下复合材料层合板颤振及热屈曲特性的计算方法包括以下步骤：

步骤一：基于复合材料层合板结构的几何变形建立复合材料层合板结构的应变-位移关系以及本构关系；

步骤二：建立超声速气动力和温度变化引起结构的面内热载荷所做功的表达式以及弹性边界的数学模型，获得复合材料层合板动能、变形能以及弹性边界势能的表达式，基于Hamilton变分原理和Rayleigh-Ritz法建立复合材料层合板结构的气动热弹性运动方程；

步骤三：利用频域分析的方法求解结构的固有频率，分析得到边界弹簧刚度对复合材料层合板结构的气动热弹性特性的影响规律；当温度变化ΔT增加到临界热屈曲温度变化ΔT_cr时，结构的一阶固有频率等于0，这就表明结构发生热屈曲；随着气动压力的增加，结构的特征值实部从负变正，表明颤振发生，此时对应的气动压力λ_cr称为结构的临界颤振气动压力。

有益效果：

1、本发明提供了一种任意边界条件下复合材料层合板颤振及热屈曲特性计算方法，该方法通过调节边界弹簧的刚度来模拟结构的任意边界条件。

2、本发明揭示了超声速气流中复合材料层合板颤振及热屈曲发生的机理，分析了边界弹簧刚度对结构气动热弹性特性的影响规律。

3、本发明明确了x＝a平动弹簧刚度对结构临界颤振气动压力及热屈曲边界的影响最大。

4、本发明支持分析包括层合板纤维铺设角度、层合板的横纵比以及弹性边界弹簧刚度等对结构气动热弹性特性的影响。

5、本发明允许分析不同温度及气动压力下结构的颤振及热屈曲特性，只需修改Matlab程序运行即可获得对应参数下结构的响应。对于仿真和实验研究来说，本发明大大节省了仿真和实验装置设计加工的时间。

附图说明

图1为超声速气流中弹性边界复合材料层合板结构及气动力方向示意图；

图2为复合材料层合板结构的正视图；