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热振环境下典型薄壁结构的动力学分析
摘要
薄壁结构在我们日常生活、生产和工业上的应用非常广泛。木板房屋就是人类早期采用薄壁结构的产物。发动机燃烧室火焰筒等里的受热部件大多采用高温合金薄板结构，这些机构部件在复杂而严酷的环境下工作，同时受到外部机械力载荷、强随机噪声载荷和热随机载荷等随机外部载荷，很容易发生疲劳损耗。薄壁结构还应用于船舶、车辆、大型建筑物以及航天器中。当飞行速度超过2马赫时，气动加热将导致结构温度显著上升，此时，薄壁结构的动力学特性尤为关键。本文针对热振环境下典型薄壁结构的动力学分析问题，基于相关理论和数值仿真开展研究。
关键字：热振环境 薄壁结构 动力学分析
前言
从18世纪中叶开始，全金属箱形结构桥梁开始大量地出现。在这类桥梁的设计过程中，S.W.费尔贝恩、E.霍奇金森和Д.И.茹拉夫斯基等人所作的实验和分析推动了薄壁结构的力学研究。早期飞机因受材料、设计和工艺水平的限制，采用比较简单的杆系骨架作为总体承力系统，骨架外部覆盖有布质蒙皮，用以承受分布的空气动力载荷并将其传递给骨架。骨架和蒙皮各自承担任务，不能严格保持外形的稳定性。而金属蒙皮和桁条组成的壁板有较强的抗弯曲变形能力，又能参加总体承力，所以薄壁结构比杆系结构具有显著的优点。
20世纪30年代，飞机飞行速度日益提高，要求飞机有光滑的外形，于是金属薄壁结构就取代了蒙布杆系结构而成为飞行器的主要结构形式，广泛应用于机翼、机身等机体。随着现代航空航天领域的发展，尤其是高超声速飞行器和战术导弹发展需求，在高超声速飞行中，飞行器周围的空气因受剧烈压缩而出现高温，研究表明当其进入大气层时，其防护系统的表面温度可达到 1648℃，这会使飞行器结构的刚度下降，强度减弱，并产生热应力、热应变和材料烧蚀等现象，同时引起飞行器内部温度升高，使舱内工作环境恶化。由于载荷的复杂性，薄壁结构在热振载荷作用下的疲劳寿命预估问题很难解决。研究有效的薄壁结构在热振环境下的应力响应及疲劳寿命分析方法变得极为迫切。
薄壁结构是由薄板、薄壳和细长杆件组成的结构，使用薄壁结构可以很好的减轻结构自重，提高结构性能。然而，薄壁结构在复杂载荷的影响下会出现各种非线性动力学现象，这些现象可能对机械的安全运行产生威胁，我们要保证结构的使用性能和承载能力，研究板壳结构在各种情况下的强度、刚度、屈曲、非线性振动和动力响应，才能在薄板结构在应用时更好的满足设计要求、降低研究成本，所以对薄壁结构的动力学特性分析有着重要的意义。
