缝合式热防护结构建模与动力学模型修正研究

【摘要】：热防护结构是保证飞行器高超声速飞行安全的关键子系统,保护机身及内部结构温度不超过所能承受的温度极限,并提供一定的强度和刚度,确保飞行器各项任务顺利完成。热防护系统在服役过程中工况复杂,在数值仿真中应尽可能准确地模拟实际工况,为结构动力学设计提供依据。本文以一种新型缝合式热防护结构为研究对象,研究其有限元建模与模型修正方法。首先建立缝合式热防护结构精细有限元模型,分析结构特征,并以精细模型为基础进行均匀化方法研究,建立结构均匀化等效模型,并验证其有效性。在缝合线对结构性能的影响方面,研究了缝合线预紧力对结构动态特性的影响、缝合缝隙的存在对结构面内等效弹性性能的影响、缝合密度对结构等效弹性性能的影响等,结果表明缝合线的存在大大提高了结构层间性能,但对结构动态特性的影响有限。考虑到复合材料参数的离散性及模型等效带来的误差,对缝合式热防护结构进行了基于模态数据的模型修正。对缝合式热防护结构进行常温模态实验,根据测试模态数据对结构相关设计参数进行了修正。为处理修正时实验数据不足的情况,提出多阶段模型修正方法,将待修正参数分组,各组参数按照既定顺序进行修正。在高温环境下,对材料弹性参数随温度变化的场进行拟合,使用差分法计算拟合参数对结构热模态数据的灵敏度,进行基于热模态数据修正方法的仿真算例研究。研究了基于随机动响应数据的模型修正方法。针对修正中出现的灵敏度矩阵病态的问题,分别从实验数据频点选取方法及结构参数选取上进行改进方法的研究,基于参数灵敏度矩阵MDI值进行频率点选取,并对参数进行多阶段模型修正,提高了修正迭代过程的稳定性,使部分参数修正结果更为准确。