【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及结构动力学分析，具体涉及一种基于结构波分析的热环境下结构动特性快速分析方法。
技术介绍
1、航空航天技术是一个国家科技水平和综合国力的重要指标。近年来，我国陆续启动并实施了多项重大科技专项工程，包括高速飞行器和先进飞机等。高速飞行器在国家安全和未来全球利益方面具有关键的战略地位。然而，随着航空航天领域的新型装备运行速度不断提升，功能也日益复杂化，机构面临着一系列极限化性能方面的严峻挑战，如瞬态可重复作动、多构态折展和结构连续光滑变形等。其中，瞬态折展变形机构是扩展飞行器功能和性能的核心，也是制约飞行器实现宽速域和大空域飞行的关键技术。因此，瞬态折展变形机构设计理论与技术成为当前国际航空航天领域所面临的国际前沿和共性问题，必须适应极端复杂的环境，例如瞬态气动力、热负荷、振动和噪声等多物理场环境。
2、高速飞行器在运行过程中面临着气动热的考验，这种热量会引起飞行器结构和材料性能以及应力状态的剧烈变化，进而影响其稳定性和动态性能。特别是在飞行器的加速和机动过程中，翼面结构和机构必须承受巨大的气动载荷，这对它们的强度和承载能力提出了极大的挑战，并导致动态特性发生变化。此外，在翼面变形过程中，外部高速气流的压力扰动会对变形机构产生强烈的激励作用，导致结构发生大幅度的振动，这可能会引发部件的疲劳失效，甚至导致裂纹扩展和断裂。飞行器瞬态折展变形机构在面对热、力、振动和噪声等多种物理场环境时，面临着显著的挑战，这些环境对其服役性能的预测带来了困难。
3、2003年，“哥伦比亚”号航天飞机解体事故的直接原因是
4、在工程领域，传统的热环境下结构振动分析通常借助商业有限元分析软件进行。在工程实践中，结构振动分析对于设计和改进热环境下的各种工程结构至关重要。这种分析方法不仅可以帮助工程师了解结构在复杂热环境中的行为，还可以指导如何优化结构以提高其性能和耐久性。然而，这一方法具备理论成熟、操作简便以及广泛适用的优点。然而，有限元法是一种近似解法，为了获得高精度的计算结果，通常需要使用大规模的分析网格，这不仅会占用大量计算资源，还会显著降低结构分析的效率。传统的有限元分析方法存在一些挑战，其中之一是对计算资源的高需求。为了在实际工程应用中更便捷地指导热环境下的结构设计并提升其性能，我们迫切需要一种能够兼顾高精度和计算效率的热环境结构振动分析方法。这种方法将有助于工程师更快速地评估不同设计方案，减少计算资源的浪费，并为结构的改进提供更及时的反馈，从而推动工程领域的创新和进步。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种基于结构波分析的热环境下结构动特性快速分析方法，通过结构波分析方法，引入热膨胀和弹性模量的变化效应，能够实现热-固耦合计算，解决了传统有限元分析方法无法在保证精度的同时快速求解的问题，具有精度高，计算速度快的特点。
2、为了实现上述专利技术目的，本专利技术采取的技术方案如下：
3、一种基于结构波分析的热环境下结构动特性快速分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
4、步骤1：根据热环境确定结构对应的材料参数，基于热环境和结构本构间的耦合关系，建立基本振动控制方程；
5、步骤2：基于步骤1中得到的基本振动控制方程，根据结构波分析方法建立热-固耦合动刚度矩阵s；
6、步骤3：设定边界条件和热环境，基于步骤2得到的热-固耦合动刚度矩阵s，得到热环境下结构的动特性。
7、所述步骤1中的材料参数包括材料密度，泊松比，热传导率，热膨胀系数，比热容以及弹性模量。
8、所述步骤1中的基本振动控制方程的构建过程如下：
9、根据热膨胀变形和由于温度上升而发生改变的弹性模量建立静力学方程组：
10、
11、
12、
13、
14、其中，q为剪力，x为轴向坐标，m为结构单位长度质量，t为时间，k0为剪切系数，g为剪切模量，a为结构横截面面积，w为横向位移，为剪切角度，m为弯矩，e为弹性模量，i为截面惯性矩，j为抗弯刚度；
15、在均匀温度场下，基于热膨胀效应，结构轴向的伸长长度lx表示如下：
16、lx＝l[1+αe(t1-t0)]
17、其中，lx为结构轴向的伸长长度，l为结构轴向原长，αe为线性膨胀系数，t1为升高温度，t0为原始温度；
18、故基本振动控制方程表示如下：
19、
20、其中，et为升温后的弹性模量，gt为升温后的剪切模量。
21、所述步骤2中的热-固耦合动刚度矩阵s的构建过程如下：
22、根据结构波分析法，将横向位移w通过离散傅里叶变换进行转化，得到频域表示的横向位移w(x,ω)，公式如下：
23、
24、其中，wj为根据边界条件得到的常数，λj为波数，ω为频率，j表示解的个数，i表示虚数；
25、将通过离散傅里叶变换得到的横向位移w(x,ω)代入步骤1中得到的基本振动控制方程中，得到关于波数λj的代数方程，公式如下：
26、
27、将频域表示的横向位移w(x,ω)代入步骤1中的静力学方程组中，得到频域表示的结构剪力q(x,ω)，频域表示的结构弯矩m(x,ω)和频域表示的剪切角表达式如下：
28、
29、
30、
31、根据频域表示的结构剪力q(x,ω)，频域表示的结构弯矩m(x,ω)，频域表示的剪切角和频域表示的横向位移w(x,ω)的级数形式表达，可得到如下表达公式：
32、
33、
34、其中，s为热-固耦合动刚度矩阵，a为位移矩阵，b为力矩阵。
35、所述位移矩阵a和力矩阵b表达式如下：
36、
37、
38、其中，λj为波数，j＝1，2，3，4；lx为加热环境下结构轴向的伸长长度，m为结构单位长度质量，et为升温后的弹性模量，gt为升温后的剪切模量，ω为频率，k0为剪切系数，i为截面惯性矩，a为结构横截面面积。
39、所述步骤3中的动特性本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于结构波分析的热环境下结构动特性快速分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于结构波分析的热环境下结构动特性快速分析方法，其特征在于：所述步骤1中的材料参数包括材料密度，泊松比，热传导率，热膨胀系数，比热容以及弹性模量。
3.根据权利要求1所述的一种基于结构波分析的热环境下结构动特性快速分析方法，其特征在于，所述步骤1中的基本振动控制方程的构建过程如下：
4.根据权利要求1所述的一种基于结构波分析的热环境下结构动特性快速分析方法，其特征在于，所述步骤2中的热-固耦合动刚度矩阵S的构建过程如下：
5.根据权利要求4所述的一种基于结构波分析的热环境下结构动特性快速分析方法，其特征在于，所述位移矩阵A和力矩阵B表达式如下：
6.根据权利要求1所述的一种基于结构波分析的热环境下结构动特性快速分析方法，其特征在于，所述步骤3中的动特性包括固有频率和结构振型，所述步骤3中计算热环境下结构的动特性具体过程如下：
7.根据权利要求1所述的一种基于结构波分析的热环境下结构动特性快速分析方法
...【技术特征摘要】
1.一种基于结构波分析的热环境下结构动特性快速分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于结构波分析的热环境下结构动特性快速分析方法，其特征在于：所述步骤1中的材料参数包括材料密度，泊松比，热传导率，热膨胀系数，比热容以及弹性模量。
3.根据权利要求1所述的一种基于结构波分析的热环境下结构动特性快速分析方法，其特征在于，所述步骤1中的基本振动控制方程的构建过程如下：
4.根据权利要求1所述的一种基于结构波分析的热环境下结构动特性快速分析方法，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨雄伟，赵李阳，柴怡君，李跃明，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。