温度效应对壁板动响应及疲劳寿命影响研究

1、温度效应对壁板动响应及疲劳寿命影响研究摘要：飞行器壁板在热振环境下承载能力会明显下降甚至出现疲劳破坏。针对上述问题，采用有限元法建立铝合金壁板热 振分析模型，结合频域疲劳寿命预报方法研究材料热物性参数、热应力对壁板动响应及疲劳寿命的影响规律！研究结果表 明，随着温度升高，热应力会导致壁板危险点应力功率谱峰值及均方根应力明显增大，而弹性模量随温度变化对应力功率谱 峰值及均方根应力影响很小！壁板动响应随温度变化对疲劳寿命的影响主要来自于热应力，但对壁板疲劳寿命的贡献量很 小！温度效应对铝合金疲劳性能的影响是决定壁板疲劳寿命的主要因素！关键词：温度效应；飞行器壁板;动响应；应力功率谱;疲劳寿命Inf

2、luence of Temperature Effect on DynamicResponse and Fatigue Life Of PanelABSTRACT: In the thermal vibration environment， the bearing capacity of the aircraft panel will decrease significantly and even fatigue damage will occur. In the paper， the finite element method was used to establish the therma

3、l vibration analysis modal of aluminum alloy panel，and the influences law of material thermo - physical parameters and thermal stress on the dynamic response and fatigue life of the panel were studied by combining with frequency domain fatigue life method. The results show that with the increase of

4、temperature， the thermal stress causes the peak of stress power spectrum and mean square root stress of critical point of panel to increase obviously. However，the elastic modulus has little effect on the peak of stress power spectrum and mean square root stress. The influence of dynamic response of

5、the panel on fatigue life is mainly from thermal stress，but the contribution to fatigue life is very small . The temperature effect influence on the fatigue properties of aluminum alloy is the main factor determining the fatigue life of the panel.KEYWORDS：Temperature effect； Aircraft panel； Dynamic

6、response; Stress power spectrum; Fatigue life1引言近年来，缘于国力增强和军事战略的需求，发展临近空 间快速打击的新型飞行器变的日益重要。该类飞行器在发 射和飞行的过程中会经受复杂和严酷的力学环境#。一方 面，随着飞行速度的大幅度提升，飞行器在巡航及再入阶段 将面临严酷的热环境，其中，翼舵前缘等部位温升最高可达 2ooor !，即便有热防护系统及c/sic等耐高温材料大量的 应用于飞行器表面进行隔热处理，但也无法避免飞行器壁板 等承力结构有一定的温升，这将会导致结构承载能力大幅下 降。另一方面，飞行器在飞行过程中还会面临由湍流脉动压 力及发动机产生的

7、复杂振动环境，会导致飞行器系统中元件 设备的可靠性大幅下降。甚至发生共振进而导致疲劳破坏， 给飞行器带来很大的安全隐患&。因此温度效应对壁板结 构的振动响应和疲劳寿命的影响是飞行器设计过程中重点 关注的问题。目前，国内外大量学者研究了温度效应对结构动响应及疲劳的寿命影响规律。在国外,Avsec等对热环境下简支 梁和固支梁的声振响应分析进行了研究。Jeyaraj等京基于 有限元-边界元分析了热效应对各向同性板、复合材料板振 动响应的影响。Blevins等+以某跨大气层飞行器壁板为研 究对象，发现在热振联合作用下壁板的承载能力会大幅下 降,疲劳寿命显著缩短。在国内，吴振强等区深入研究了温度环境对飞

8、行器壁板 振动特性的影响规律。李跃明等基于有限元-边界 元,有限元-统计能量法，能量有限元分别研究了热效应对 飞行器壁板结构低频、中频、高频声振响应的影响。沙云 东险博等对热声载荷联合作用下发动机复合材料壁板、典 型金属壁板动态响应进行了大量研究，在响应计算方法、加 载方式及载荷模型方面取得了一定的研究进展。周亚东 等M基于有限元法对C/SiC壁板结构疲劳寿命的温度依赖 性进行了评估，计及和不计及温度变化的过程，壁板的疲劳 寿命相差很大。然而以上研究并没有深入探索由于温度效 应导致的结构弹性模量、热应力及材料疲劳性能变化对壁板 疲劳寿命的影响规律及贡献量。因此，为了进一步了解温度效应对壁板动响

9、应及疲劳寿 命的影响规律，首先详细研究了弹性模量随温度变化及热应 力对壁板动响应及疲劳寿命的影响规律。进而综合考虑由 于温度效应导致壁板动响应及材料疲劳特性变化对壁板疲 劳寿命的影响规律及贡献量。为飞行器壁板在热振环境下 的强度设计提供一定的参考。2理论分析温度效应对壁板动态特性及疲劳寿命的影响主要来自 以下三个方面:壁板弹性模量、密度等会随温度发生变化； )温度效应会导致壁板结构中产生热应力；这两种情况均会 导致壁板刚度发生变化,进而对壁板动态特性产生一定的影 响。温度会影响壁板材料的疲劳性能，因此在仿真分析中 要综合考虑以上三个方面对壁板动态响应及疲劳性能的 影响。2.1温度载荷对壁板固有

10、特性的影响壁板有限元动力方程的形式如下所示(NJ +j&- ) $ uj = F8(1)式中:N、$，、X，分别为结构的刚度、阻尼和质量矩阵;w,、F，、 &分别为节点位移、激励力和圆频率。首先，考虑弹性模量随温度变化(不考虑材料密度随温 度变化)时刚度矩阵的表达形式为KC = * BTDTBdO(2)式中:7为结构变形矩阵,0c为与泊松比和弹性模量相关的 弹性矩阵,0为求解域。热应力对刚度矩阵的影响可通过在刚度矩阵K中附加 应力刚度矩阵K#的形式表示K# = * GCSGdO(3) 式中：G为形函数对空间坐标微分后的矩阵;S为应力矩阵。 综合考虑弹性模量随温度变化和热应力对刚度矩阵的 影响时

11、，壁板有限元动力方程的形式如下所示：(KS +KCK# j& $S - &2 XS ) - w. = F8 (4) 2.2频域疲劳寿命预报方法频域疲劳寿命预报法基于结构应力功率谱，然后再利用 材料S -1曲线及损伤累积理论对疲劳寿命进行预测。无需 处理冗长的时域信号，计算时间远远少于时域法，因而在工 程中应用较广。常用的频域法包括Wirsching法庭、Dirlik 法词等。Dirlik法是Dirlik在1985年提出的一种频域疲劳寿命预 报方法，他利用Monte - Carlo模拟，通过大量的数值模拟证 明，应力幅值的概率密度函数可以近似表示为一指数分布与 两个Rayleigh分布和的形式。

12、该方法适用范围广，可有效处 理窄带和宽带问题;而且计算精度高。具体形式如下所示(5)(5)1 1 .2 0# + 0#1 R0& = 1 & 01 & 02 / Q1. 25( & 03 02 R 0& = 1 & 01 & 02 / Q1. 25( & 03 02 R )01 乾-01 + 01?1?2= .1 * .2 =/ 二/ ?2 ?4式中：S为应力幅值;B = S/、/?称为正则化应力幅值。为 应力功率谱密度的第.阶矩。带宽参数.和.2为两无量纲量，满足0 .2 .1 1。 对于窄带过程，它们的取值接近于1 i对于宽带过程，它们趋3仿真分析建立铝合金壁板的有限元模型如图1所示，研究

13、温度效 应对壁板动响应和疲劳寿命的影响规律。其中，铝合金壁板 面内尺寸为1. 2? x0. 5?,厚度为0. 02?,边界条件为两条短 边和一条长边固支、一条长边简支。在壁板中心施加垂直于 壁板的力功率谱,功率谱分布形式如图2所示。铝合金材料 力学参数见表1。表1铝合金材料力学参数弹性模量Y/GPa密度(kg/m3 )泊松比阻尼比7027000. 330. 0#3.1温度效应对壁板动态响应影响为了深入研究温度效应对壁板动响应影响规律，需要分 别考虑弹性模量随温度变化和热应力对其影响，具体分为以图1铝合金壁板有限元模型ZHXaCH0.20.10.002004006008001000Frequen

14、cy/Hz图1铝合金壁板有限元模型ZHXaCH0.20.10.002004006008001000Frequency/Hz下三种工况进行研究：工况一：仅考虑弹性模量随温度变化对动响应的影响。 工况二：仅考虑热应力对动响应的影响。工况三：综合考虑 弹性模量随温度变化和热应力对动响应的影响。对铝合金壁板进行随机振动分析，分析频率为10Hz - 1000Hz。图3给出了壁板的应力云图，可以看出应力最大值 出现在壁板受固支约束的长边中点处，因此确定此点为壁板 的危险点。进而计算铝合金壁板在三种工况下危险点应力 功率谱及均方根应力，研究温度效应对动响应的影响规律。图3壁板应力云图图4给出了在工况一情况下

15、，铝合金壁板在温度为- 6or、2or和ioor时危险点应力功率谱密度。可以看出壁 板危险点应力功率谱在377Hz、33$Hz、32$Hz时出现峰值。 由模态分析结果可知，三个频率点分别对应铝合金壁板的第 一阶弯曲频率，说明壁板的第一阶弯曲模态在动响应中占主 导作用。另外，可以发现随着温度的升高应力功率谱峰值所 对应的频率向低频段移动。这是因为随着温度升高材料力 学性能退化，刚度降低，导致壁板固有频率下降，致使应力功 率谱峰值向低频处移动。但工况一对应力功率谱峰值大小 及分布形式基本没有影响。图4工况一作用下壁板危险点应力功率谱密度分布图5给出了在工况二情况下，铝合金壁板在温度为- 6or、2

16、or和ioor时危险点应力功率谱密度。可以看出当 温度从2or升高到i oor，应力功率谱峰值所对应的频率变 小且峰值明显增大。这是因为温度升高，壁板面内出现热应 力（压应力）导致壁板刚度下降，固有频率随之下降，所以峰 值所对应的频率会变小。由于应力叠加了与结构应力方向 致的附加热应力，所以导致应力功率谱峰值增大。反之, 温度从2or降低到-6or时应力功率谱峰值所对应的频率 变大且峰值变小。因此可以得出的结论是：随着温度升高, 危险点应力功率谱峰值所对应的频率变小且峰值增大图4工况一作用下壁板危险点应力功率谱密度分布图5工况二作用下壁板危险点应力功率谱密度分布图6给出了在工况三情况下，铝合金

17、壁板在温度为- 6or、2or和ioor下危险点应力功率谱密度。发现随温度 升高应力功率谱峰值所对应的频率变小且峰值明显增大。 并且可以看出工况三应力功率谱峰值大小和工况二基本一致,而且工况三作用下应力功率谱峰值对应频率的变化量相 当于工况一和工况二频率变化量之和。因此可以发现工况 三对壁板动响应的影响相当于工况一和工况二作用的叠加。 料的S-N曲线如图8所示。可以看出，当应力水平大于 23oMPa时，铝合金疲劳强度随着温度升高而下降。当应力 水平小于23oMPa,相较于2or不管温度升高或降低疲劳强 度均会下降。图6工况三作用下壁板危险点应力功率谱密度分布图8不同温度下铝合金疲劳S-N曲线图

18、7给出了三种工况下由壁板危险点应力功率谱计算 得到的均方根应力分布图。工况一作用下，-6or、2or及ioor危险点均方根应力 分别为5i. 68MPa、52. 73MPa和53. 25MPa,危险点均方根应 力大小相差很小。可以看出弹性模量随温度变化对危险点 均方根应力影响很小。工况二作用下，-6or、2or及ioor危险点均方根应力 分别49. 67MPa、52. 73MPa和58. 22MPa,可以看出随着温度 的升高，导致壁板危险点均方根应力随着热应力的增大而 增大!工况三作用下，-6or、2or及ioor危险点均方根应力 分别49. i5MPa、52. 73MPa和58. 76MPa

19、。和工况二作用下均 方根应力大小基本一致!因此，可以看出温度效应对壁板危 险点均方根应力的影响主要是由热应力产生的，弹性模量变 化对均方根应力影响很小!3.2温度效应对壁板疲劳寿命影响3. 2. i温度对材料疲劳S - N曲线影响叶序彬等回通过试验研究了航空铝合金材料在- 6or、2or、ioor温度下的疲劳特性，三种温度下铝合金材3.2.2不同温度下铝合金壁板疲劳寿命3.1节已经计算出了各个工况下铝合金壁板危险点应 力功率谱密度和均方根应力。为了进一步研究各工况对铝 合金壁板的疲劳寿命影响规律，需将应力功率谱转换为应力 幅值概率密度函数。然后结合线性损伤累积理论和不同温 度下铝合金S - N

20、曲线便可以研究温度效应对壁板疲劳寿命 的影响规律。首先,在不考虑材料S - N曲线随温度变化时，研究温度 效应导致壁板响应变化对疲劳寿命的影响。图9给出了不 同工况下壁板疲劳寿命直方图，可以看出工况一对壁板不同 温度下的疲劳寿命影响相对较小，-6or、2or、ioor疲劳 寿命大小均为3.4e7s左右。主要是因为弹性模量变化对危 险点应力功率谱峰值及分布形式几乎没影响，从而计算出危 险点的均方根应力大小基本相同，导致2or、ioor、-6or 壁板的疲劳寿命基本一致。工况二和工况三作用下对壁板 疲劳寿命影响较大，在-6or ioor，随着温度升高壁板的 疲劳寿命逐渐缩短，主要是因为热应力对壁板危险的应力功 率谱的峰值及分布形式影响较大，随着温度升高，危险点均 方根应力增大，最终导致壁板疲劳寿命缩短。同时也可以看 出由于温度效应产生的热应力是影响壁板疲劳寿命的主要 控制因素，而弹性模量随温度变化对疲劳寿命影响相对 较小。综合考虑壁板动响应及铝合金s-N曲线随温度变化对 疲劳寿命影响时，可以看出三种工况作用下，壁板疲劳寿命 均为2or最长,其次为